振動分析在風電機械設備故障診斷中的研究

王洪亮 劉倩

1.南京中核能源工程有限公司 江蘇南京 210046

2.中石化南京工程公司 江蘇南京 210046

第一次工業革命之后，人們使用了一次能源，即煤和石油等化石能源，但是由于過度使用化石能源，能源與環境之間的沖突加劇了。世界各國前所未有的氣候變化已經嚴重改變了世界的能源結構使用情況，新能源已經占了主導地位，低碳能源結構（風，水，太陽，原子等）取代了化石能源占主導的低碳能源結構。

1 風力發電主要機械結構

風力發電機的功能是實現風的動能和電能之間的轉換—葉輪被風驅動，葉輪使主軸旋轉，然后增速箱提高連接到網絡上發電的發電機的額定速度。現在，風力發電機通常以每秒三米的風速啟動，如圖1所示。

圖1 正在運行中的風力發電機

2 風力發電機組安裝故障振動分析

2.1 機械不平衡

如果風力發電機的旋轉中心與組件中軸的重心不一致，則軸旋轉時會發生機械不平衡。機械不平衡的主要原因是轉子部件的結垢，轉子部件的變形和轉子部件的彎曲。經過長時間的風力發電機運行測試，發現其主要部分的機械失衡故障特征在波形和頻譜圖中如下：a.主振動頻率是旋轉頻率。b.它的振動是正弦的。c.徑向振動幅度大，幾乎沒有軸向振動。d.幅度與頻率成正比。e.相對穩定的振幅峰值，諧波振幅主要反映在基頻上，并且振幅比基頻大2到3倍，非常小，幾乎看不見。當然，在誤差不平衡的情況下，由于誤差具有大的徑向振動和非常小的軸向振動，所以也可以容易地識別振動計。f.振動的幅度與速度成正比，即，速度的降低以相同的比率減小振動的幅度，并且可以迅速確定為不平衡。如果有大量的二次諧波，三次諧波和其他指示位移，則必須首先糾正這些故障，然后再檢查是否平衡。g.如果存在基頻的“拍振”成分，則還有其他故障。要檢查電動機轉子是否損壞或軸承是否損壞。h.如果由于速度的微小變化而引起較大的變化，則可能會產生共振。i.如果垂直振動較強，則可以削弱底座；如果軸向振動較強，則會顯示偏移[1]。

2.2 不對中

如果在安裝了風力發電機之后，離合器兩端的高速齒輪軸與轉子軸的軸向旋轉線不匹配，就會出現相對位移。不對中現象的出現是由于組裝設備時兩個軸未對準這一事實引起的，它分為以下幾種類型：平行位移：驅動軸的每次旋轉都會引起從動軸的兩個徑向振動，因此由位移引起的振蕩頻率是軸速度的兩倍。角位移：角度不對中改變輸入軸和輸出軸的角度，使聯軸器產生額外的彎矩，彎矩的方向跟隨軸的旋轉，并產生兩個沖擊和軸向力。如果同時發生平行位移和角位移，則將同時發生徑向和軸向振動。

3 風電機組故障分析方法

3.1 采集風力發電機組的振動信號

3.2 振動信號的采集

振動傳感器的主要功能是將機械振動（例如，振動速度，振動加速度，振動位移等）轉換為電信號。基本原理是通過傳感器內的壓電換能器元件和彈簧錘將機械振動轉換為電信號。然后將電信號放大，并通過諸如運算放大器的電路將其作為模擬振動信號輸出。二進制數據振動信號通常是通過沖擊力和加速度收集的，因此壓電元件被用作傳感器的內部傳感器元件。

3.3 定位風力發電機的測量點

振動監測和分析可以幫助相關人員確定風力發電機中存在哪種類型的故障，并在不拆卸風力發電機組件的情況下大致確定故障的位置。這項工作主要檢查并演示變速箱中齒輪和軸承的主要部件，發電機的前后軸承以及主軸承。根據風力發電機的特性和實踐經驗，可以確定幾個常見的測量點。對于結構不同的風力發電機，測量點雖然略有不同，但比較相似[2]。

3.4 收集風力發電機的振動信號

根據分析思路確定最合適的測量點，將振動傳感器放置在合適的位置并收集振動信號。選擇測量點的位置越合理，用于振動分析的設備所記錄的數據越精確，振動監測和故障診斷分析的成功概率和準確性就越高。選擇傳感器位置的原理是傳感器可以直接記錄振動數據，因此傳感器應安裝在靠近被測設備的存儲區域或最大負載的位置。風力發電機具有許多機械部件，高頻信號和低頻信號混合在一起。由于高頻振動沒有方向性地傳播，因此僅在一個方向上收集高頻信號就足夠了。

確定風扇相應部件的型號，確定其參數，例如將機械尺寸替換為特性損壞頻率的公式，然后根據風力發電機的運行速度確定運行頻率[3]。

頻譜分析，在頻域圖中分析每個振動頻率的階數，幅度和邊頻率，以確定損壞的位置和程度。頻譜分析是在頻域圖中分析每個振動頻率的階數，幅度和邊頻率，以確定損壞的位置和程度。首先，查看每個測量點的波形以確定振動幅度的最大值，將振動幅度的最大值與VDI3834標準的相應部分的警報值進行比較，并根據振動超過標準值的程度確定其嚴重性。其次，對于每個測量點的時域波形，將軟件收集的傅里葉測量點速度的振動加速度信號轉換成頻率范圍和頻譜包絡圖。最后，查看頻率范圍的相應波形，然后在頻譜圖中找到頻率轉換和相關的諧波。根據它們的特定表現形式和屬性來確定該錯誤是否是由安裝引起的機械故障，然后在頻譜圖中找到每個對應分量的損傷振動頻率及其諧波頻率。如果它具有特征頻率，則意味著相應的相應組件有故障。

4 結語

科技發展日新月異，振動分析技術也在不斷完善，振動診斷和系統控制技術的應用范圍越來越廣，并且精度也越來越高。