淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

魏協(xié)奔，盧旭錦，孫培明，李童彬

（1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 汕頭 515000；2.揭陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 揭陽(yáng) 522000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)能否正常投入使用，影響著風(fēng)力發(fā)電的整體質(zhì)量，而風(fēng)機(jī)故障會(huì)導(dǎo)致機(jī)組本身受到損壞嚴(yán)重的情況下，可能會(huì)造成更加不可預(yù)料的后果，而從風(fēng)力發(fā)電機(jī)所使用的環(huán)境以及自身結(jié)構(gòu)等角度出發(fā)，其設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中容易受到外界環(huán)境的影響，造成風(fēng)力發(fā)電，整體質(zhì)量偏低。為保證風(fēng)力發(fā)電能夠正常地運(yùn)行，需要進(jìn)行振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷工作。而從現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，多數(shù)地區(qū)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行2500h或者是5000h后，會(huì)進(jìn)行例行維修，而這種維修周期較長(zhǎng)，設(shè)備受損情況較為嚴(yán)重，部分問(wèn)題難以在檢修工作中得到解決。在這種情況下，需要重視在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中處于一種可控狀態(tài)，輔助相關(guān)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中存在的不足，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量與效率。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)研究基本概述

1.1 整機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)情況分析

從現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究情況來(lái)看，振動(dòng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中較常見(jiàn)的故障之一，也是原因復(fù)雜不容易解決的問(wèn)題之一，而這種問(wèn)題在較為嚴(yán)重的情況下，會(huì)造成設(shè)備的損害，甚至產(chǎn)生其他重大事故。本文在研究的過(guò)程中，將風(fēng)機(jī)的整體系統(tǒng)分成塔架-機(jī)艙系統(tǒng)、根部剛性固定的葉片以及傳動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)組成部分進(jìn)行研究與分析。從圖1所示的圖像中可以明顯地看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中其發(fā)生的振動(dòng)情況會(huì)引發(fā)共振情況，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中自身的風(fēng)載、葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)、開(kāi)關(guān)等會(huì)造成風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較為劇烈的振動(dòng)情況，而這種振動(dòng)則會(huì)造成軸承、齒輪副、聯(lián)軸器等部件的振動(dòng)，進(jìn)而造成設(shè)備的損壞，影響設(shè)備的使用壽命與質(zhì)量。

圖1 具有三葉片和柔性塔架的WKA-60型上風(fēng)機(jī)共振情況

1.2 偏航系統(tǒng)振動(dòng)情況分析

在針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，由于偏航系統(tǒng)構(gòu)建較容易產(chǎn)生故障，而這種情況在小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中則更加常見(jiàn)。造成其情況的主要原因在于，轉(zhuǎn)子周期變化與旋轉(zhuǎn)力之間產(chǎn)生共振，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，系統(tǒng)所承受的載荷更大，不斷變化的偏航力矩會(huì)引起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，進(jìn)而在特定的位置不同的方位會(huì)產(chǎn)生較為明顯的摩擦阻尼以及牽制力。

1.3 葉片振動(dòng)研究

葉片是風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵部件，多數(shù)的葉片均具有展向長(zhǎng)、弦向短、柔韌性好等方面的特點(diǎn)，是一種在實(shí)際應(yīng)用中較容易產(chǎn)生振動(dòng)的部件，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行質(zhì)量。目前，在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，葉片會(huì)由于自身的慣性力與重力等因素產(chǎn)生激振力，一般情況下，其振動(dòng)保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，而在靜態(tài)發(fā)散、顫振等情況下，會(huì)造成較為強(qiáng)烈的振動(dòng)，影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常使用。葉片振動(dòng)受力分析如圖2。

圖2 葉片震動(dòng)受力分析

1.4 主軸承振動(dòng)

主軸承振動(dòng)指風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中滾動(dòng)軸承由于其各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)，受損狀態(tài)等方面因素而造成的情況，需要注意的是，軸承座所傳遞的外界荷載以及激勵(lì)信號(hào)也會(huì)在一定程度上影響主軸承振動(dòng)情況，多種因素也造成主軸承振動(dòng)較為隨機(jī)。而軸承振動(dòng)的頻譜按照其運(yùn)行實(shí)際情況來(lái)看，基本上可以分成低頻段、中頻段以及高頻段三個(gè)組成部分。軸承結(jié)構(gòu)頻譜如圖3。

圖3 軸承結(jié)構(gòu)頻譜

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷方法

從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷實(shí)際情況來(lái)看，在時(shí)代不斷發(fā)展的同時(shí)，其診斷方法也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性也呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。現(xiàn)階段，在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷的過(guò)程中，較常見(jiàn)的方法有時(shí)域分析法、頻譜分析法等。

時(shí)域分析法在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中是一種應(yīng)用較為廣泛，且較為簡(jiǎn)單的一種診斷方式，其在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中難以對(duì)故障的準(zhǔn)確位置進(jìn)行判斷。而其方法的使用需要相關(guān)人員準(zhǔn)確地進(jìn)行有量綱特征參數(shù)、無(wú)量綱動(dòng)態(tài)指標(biāo)的確定，以保證所研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

頻譜分析法，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中是應(yīng)用較為廣泛，且能夠獲取大部分故障特征的一種故障診斷方法，其在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)各個(gè)部分的振動(dòng)頻譜進(jìn)行調(diào)查，并按照其頻譜圖中所反映的情況，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的主要問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要注意自功率譜分析以及共振調(diào)節(jié)工作。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析

時(shí)代在不斷發(fā)展的同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷要求也在不斷地提升，在進(jìn)行其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也需要按照實(shí)際情況，合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的選擇。本文在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要是從振動(dòng)信息監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障特征分析、故障識(shí)別等幾個(gè)角度進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)。

振動(dòng)信息監(jiān)測(cè)指系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)組的振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，并能夠利用數(shù)字化的技術(shù)將振動(dòng)情況繪制成較形象的圖像，輔助相關(guān)研究人員更加準(zhǔn)確地分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況。而振動(dòng)信息監(jiān)測(cè)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中主要由傳感器、數(shù)據(jù)預(yù)處理、A/D轉(zhuǎn)換等部分所組成。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)指系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，需要按照發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)以及相關(guān)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組趨勢(shì)圖繪制，通過(guò)趨勢(shì)圖能夠更好地反映發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)的維修、保養(yǎng)工作提供一定的支持。

故障特征分析指系統(tǒng)在對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集后，對(duì)原始的信號(hào)進(jìn)行分析處理，尋找信號(hào)中具有特點(diǎn)的信息，并按照自身所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障特征的分析工作。其組成部分在實(shí)際應(yīng)用中能夠在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理與分析工作，為故障維修等工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析，提升故障維修的質(zhì)量與效率。

故障識(shí)別指系統(tǒng)在應(yīng)用中，能夠通過(guò)對(duì)故障信息監(jiān)測(cè)和故障特征分析的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)律，進(jìn)行故障、故障產(chǎn)生原因、故障產(chǎn)生部位等信息的排除，進(jìn)而為維修人員提供較準(zhǔn)確的故障發(fā)生原因分析、故障產(chǎn)生位置分析、故障影響情況分析等方面的數(shù)據(jù)。以及其在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中也能夠與模糊診斷手段相互結(jié)合使用，提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 測(cè)量點(diǎn)的選擇

在進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)選擇的過(guò)程中，需要保證測(cè)量點(diǎn)滿足以下幾方面的需求：（1）測(cè)量點(diǎn)需要盡可能地靠近軸承的承載區(qū)，且不能夠在保護(hù)罩、外殼、設(shè)備結(jié)構(gòu)間隙等地選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)。（2）從現(xiàn)階段研究實(shí)際情況來(lái)看，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生故障的原因多種多樣，而產(chǎn)生振動(dòng)的方向也存在較大的不同，因而在進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)選擇的過(guò)程中，需要盡可能地選擇能夠?qū)λ酱怪弊呦蛉齻€(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)的點(diǎn)。（3）在進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)選擇過(guò)程中，需要選擇設(shè)備表面較為平滑地區(qū)，減少設(shè)備表面污漬等情況對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

從現(xiàn)階段我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展實(shí)際情況來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展的主要方向之一，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，容易受到自身結(jié)構(gòu)以及外界因素的影響，造成發(fā)電機(jī)應(yīng)用質(zhì)量較低，甚至?xí)斐奢^大的事故。基于此，要求相關(guān)人員在電力行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，要重視電力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及故障診斷工作，在發(fā)現(xiàn)存在異常數(shù)據(jù)時(shí)，能夠及時(shí)地對(duì)設(shè)備應(yīng)用情況進(jìn)行分析，并進(jìn)行設(shè)備的維修與保養(yǎng)，使發(fā)電機(jī)能夠更高效地投入使用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本較高，重視風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)與故障診斷工作，能夠較及時(shí)地進(jìn)行設(shè)備的管理與維修工作，降低發(fā)電機(jī)損壞程度，進(jìn)而降低更換成本，提升發(fā)電機(jī)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。