劉亞昆，吳興偉

(沈陽工程學(xué)院 a.研究生院;b.學(xué)報編輯部;遼寧沈陽110136)

能源是社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來，以煤、石油和天然氣為代表的化石燃料已不再適合綠色生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的需要。隨著化石燃料的日益枯竭、環(huán)境壓力的不斷加大和人類環(huán)保意識的不斷加強，在發(fā)電領(lǐng)域用新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源是堅持可持續(xù)發(fā)展的必然之路。在眾多的新能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電成為相對增長較快的發(fā)電方式，展現(xiàn)了良好的發(fā)展前景［1］。

1 風(fēng)力發(fā)電機組的分類及構(gòu)成

風(fēng)力發(fā)電機組是由將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的風(fēng)力機和將機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機構(gòu)成的。其分類依據(jù)主要是驅(qū)動發(fā)電機的方式，大型兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組主要分為雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組和直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組，其中雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組是國內(nèi)運行數(shù)量最多的風(fēng)力發(fā)電機組［2］，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖1所示。

風(fēng)力機主要由風(fēng)輪、主軸、齒輪箱、控制器及附屬設(shè)備組成。風(fēng)輪是獲取風(fēng)能的裝置，主要由葉片、輪轂和變槳系統(tǒng)構(gòu)成;主軸是風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)的主要部件之一，其主要作用是將轉(zhuǎn)化成機械能的風(fēng)能傳遞至齒輪箱;齒輪箱的作用就是增速，利用低速機械帶動高速發(fā)電機轉(zhuǎn)動，齒輪箱的高速軸通過聯(lián)軸器直接與發(fā)電機相連，帶動發(fā)電機工作。

發(fā)電機部分由發(fā)電機及其附屬設(shè)備構(gòu)成，安裝在塔筒支撐的機艙內(nèi)，其主要功能是把傳入其中的機械能變?yōu)殡娔?，然后通過逆變器調(diào)節(jié)后并入電網(wǎng)。

圖1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組的構(gòu)成

2 風(fēng)力發(fā)電機組的振動故障類型及特征

風(fēng)力發(fā)電機組的工作原理是通過葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，再通過傳動鏈將機械能傳遞到發(fā)電機并轉(zhuǎn)換為電能。葉片、輪毅、主軸、齒輪箱、發(fā)電機組和滾動軸承是風(fēng)力發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)傳動鏈的主要零部件，正常安裝且對中良好的水平風(fēng)力發(fā)電機組，其振動是非常小的。一旦風(fēng)力發(fā)電機組出現(xiàn)振動或噪音增強的情況，就預(yù)示著某個部位出現(xiàn)故障。作為我國目前風(fēng)力發(fā)電主力裝備的雙饋型風(fēng)電機組，其構(gòu)成比直驅(qū)型機組復(fù)雜，所以也有著比直驅(qū)型機組更為復(fù)雜的故障形式。

風(fēng)力發(fā)電機組的振動故障主要是由塔筒和機艙的晃動以及滾動軸承和齒輪因失效而引起，其影響因素復(fù)雜多樣，例如自然風(fēng)的不穩(wěn)定性、風(fēng)向和風(fēng)速的隨機性、功率和轉(zhuǎn)速的變化、組件自身設(shè)計和制造的缺陷等。

2.1 塔筒和機艙的振動故障

塔筒和機艙的振動主要是由自然風(fēng)的作用引起的，多為低頻振動。由動力學(xué)方程可知，其水平方向的振動故障不僅與風(fēng)輪葉片受到的扭矩和推力有關(guān)，而且與葉片所受的不平衡力和塔影效應(yīng)等影響因素也有關(guān)。雖然在風(fēng)機設(shè)計過程中己將塔筒的固有頻率避開了葉片1P和3P激振頻率，但是在風(fēng)切變等因素的影響下，塔筒和機艙仍然會出現(xiàn)共振，此時可以通過變槳系統(tǒng)調(diào)整變槳速度、變槳曲線和增加系統(tǒng)的阻尼來控制和降低塔筒振動的幅度。

2.2 軸承振動故障

2.2.1 軸承振動的故障種類及特征

滾動軸承是傳動系統(tǒng)中最精密的部件，其發(fā)生故障時所產(chǎn)生的振動頻率一般有4種:隨機的超聲頻率、軸承零部件的自振頻率、軸承故障特征頻率、軸承故障的和頻及差頻［3］。

1)隨機的超聲頻率存在于滾動軸承故障的初始時刻，頻率范圍在5 000～60 000 Hz之間。

2)軸承零部件的自振頻率范圍在500～2 000 Hz之間，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。

3)軸承故障特征頻率就是軸承故障時產(chǎn)生的頻率，包括外環(huán)故障特征頻率、內(nèi)環(huán)故障特征頻率、滾珠體故障特征頻率和保持架故障特征頻率［4］，主要特點是:①故障特征頻率與轉(zhuǎn)速相關(guān);②內(nèi)外環(huán)故障最先出現(xiàn);③保持架故障不以基頻出現(xiàn);④滾珠體故障常常伴有保持架故障出現(xiàn);⑤外環(huán)故障的幅值高于內(nèi)環(huán)故障的幅值。

4)內(nèi)外環(huán)故障頻率的和頻為軸承滾珠體通過頻率(滾珠體個數(shù)×RPM)。

2.2.2 滾動軸承故障頻率的計算

1)保持架故障頻率:

2)滾動體旋轉(zhuǎn)故障頻率:

3)外環(huán)故障頻率:

4)內(nèi)環(huán)故障頻率:

其中，d為滾珠體直徑，D為滾動軸承平均直徑，φ為徑向方向接觸角，n為滾動體數(shù)目，No為軸承外環(huán)角速度，Ni為軸承內(nèi)環(huán)角速度。

2.3 齒輪箱振動故障類型及特征

齒輪箱的常見故障有齒輪故障、軸承損壞、斷軸和油溫高等，其中齒輪故障是齒輪箱故障的最主要原因［5］。齒輪故障形式主要有以下幾種:

1)斷齒

細(xì)微裂紋逐步擴展或過大載荷沖擊往往會形成斷齒。斷齒按照原因和裂紋擴展的情況可分為疲勞折斷和過載折斷等［6］。

①疲勞折斷的主要原因是:輪齒在交變應(yīng)力的高頻率反復(fù)作用下，其危險截面的疲勞裂紋不斷擴大，直至輪齒上剩余截面所能承受的應(yīng)力值小于交變應(yīng)力時，發(fā)生疲勞折斷。

②過載折斷的主要原因是:突然的超載沖擊或較大硬物擠入嚙合區(qū)時，導(dǎo)致其所受載荷突然增大，超過其極限應(yīng)力，使得輪齒細(xì)微裂紋迅速擴大，從而造成過載折斷。

2)齒面疲勞

造成齒面疲勞的主要原因是齒輪表面產(chǎn)生齒面損傷，并在交替循環(huán)的齒面應(yīng)力和過大的接觸剪應(yīng)力的作用下工作。齒面損傷是由于齒輪表層及表層下面產(chǎn)生疲勞裂紋，并進(jìn)一步擴展，從而造成齒輪表面的初步損傷，其主要表現(xiàn)形式有齒面點蝕、齒面剝落和表面壓碎等。

3)膠合

膠合就是齒面上的金屬被撕落，常發(fā)生在齒面相互嚙合的邊界處。在運行過程中，若齒面潤滑不良，往往會引起齒面的膠合，通過改善潤滑條件、及時排除雜質(zhì)或調(diào)整傳動件的嚙合參數(shù)等方法可以有效減輕或消除膠合現(xiàn)象［7］。

在齒輪箱的眾多故障中，齒輪齒的磨損、齒輪齒的過大負(fù)載、齒輪偏心、齒隙游移、齒面裂紋或斷齒、齒輪組合異常和齒輪齒的擺動等故障都是以振動的形式表現(xiàn)出來，而對這些故障評定的重要依據(jù)之一就是齒輪的嚙合頻率(齒輪的齒數(shù)×轉(zhuǎn)速)。齒輪的嚙合頻率時常會伴隨出現(xiàn)特定幅值的、與齒輪或其配對齒輪轉(zhuǎn)速相關(guān)的邊頻帶，故相比與滾動軸承，齒輪的嚙合頻率(GMF)并不像軸承故障特征頻率那樣的重要。只要在安裝和對中過程良好的狀態(tài)下，齒輪嚙合頻率(GMF)、諧波頻率和邊頻帶頻率的幅值都很小，尤其是邊頻帶頻率［8］。

齒輪振動頻譜分量有7種特征頻率，分別是:

①低速齒輪旋轉(zhuǎn)頻率frg;

②高速齒輪旋轉(zhuǎn)頻率frp;

③齒輪嚙合頻率fm=frg×Zg=frp×Zp;

④低速齒輪邊帶頻率(fm±ifrg);

⑤高速齒輪邊帶頻率(fm±ifrp);

⑥齒輪擺動頻率ftr或齒輪重復(fù)頻率fHT=(fm×Na)/(Zg×Zp);

⑦齒輪組合狀態(tài)通過頻率fa=fm/Na(Na=齒輪組合狀態(tài)數(shù))。

齒輪特征頻率之間的關(guān)系為ftr≤frg≤frp≤fa≤fm，適用于任意兩個嚙合的齒輪。

3 振動信號的分析及處理

3.1 振動信號分析處理的主要方式

1)倒頻譜分析方法:利用傅里葉變換分析得到的復(fù)雜類型的故障頻譜圖轉(zhuǎn)換為易識別的故障特征頻譜圖。

2)SPM(Shock Pulse Method)沖擊脈沖技術(shù):將傳感器采集到的由于滾動軸承滑道中的缺陷而產(chǎn)生的振動信號經(jīng)進(jìn)行放大后加以分析處理，然后確定滾動軸承的運行狀態(tài)。

3)包絡(luò)譜分析技術(shù):利用包絡(luò)檢波的解調(diào)技術(shù)將高頻沖擊信號從載波檢出，做進(jìn)一步的處理后，利用頻譜分析功能得到齒輪箱和滾動軸承的故障特征頻率及沖擊能量。

4)尖峰能量技術(shù):其信號處理技術(shù)的基本原理與包絡(luò)譜分析技術(shù)一樣，但是其采用的是峰值檢波技術(shù)來提取振動的脈沖故障波形。

5)PeakVue(應(yīng)力波或壓力波)分析技術(shù):該技術(shù)主要的分析對象是金屬直接接觸時產(chǎn)生的高頻應(yīng)力或壓力波。通過提高振動信號采樣率得到較為真實的高頻應(yīng)力或壓力波，再從捕獲的每個應(yīng)力波事件的幅值、持續(xù)時間和重復(fù)比率中得到滾動軸承的故障特征頻率。

6)小波分析技術(shù):通過小波的尺度變換得到振動信號不同頻率區(qū)域的能量分布，由于受技術(shù)條件所限，至今還未達(dá)到實際應(yīng)用的階段。

7)峭度、偏斜度和峰值因子分析方法:這是一種基于概率統(tǒng)計的故障診斷方法，提取一些容易得到的，同時對軸承的承載大小和轉(zhuǎn)速影響很小的無量綱參數(shù)，與初期運行時的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以較為準(zhǔn)確地反映設(shè)備的運行狀態(tài)。

3.2 包絡(luò)譜分析

對風(fēng)力發(fā)電機組的振動信號進(jìn)行分析的目的是為了得到齒輪和滾動軸承的特征故障頻率。就目前的分析技術(shù)而言，包絡(luò)分析、尖峰能量分析和PeakVue分析基本上沒有太大的區(qū)別，而峭度、偏斜度和峰值因子等分析方法只能夠作為輔助判定手段;同時由于尖峰能量和PeakVue分別屬于ENTEK和CSI的專利技術(shù)，因此在工程實際中應(yīng)用最普遍的是包絡(luò)譜分析技術(shù)。

3.2.1 包絡(luò)譜分析技術(shù)基本原理

包絡(luò)譜分析技術(shù)最早由滾動軸承生產(chǎn)商SKF公司提出，采用包絡(luò)檢波的解調(diào)技術(shù)檢出被低頻信號(載波)調(diào)制的高頻沖擊信號，其分析流程如圖2所示。

圖2 包絡(luò)譜分析技術(shù)的分析流程

當(dāng)傳動鏈系統(tǒng)的某個原件出現(xiàn)損傷或者故障時，所產(chǎn)生的沖擊能量非常集中，且振動信號的頻帶寬，這就使得振動信號中含有一些周期性的沖擊成分，必然導(dǎo)致高頻固有振動受到低頻成分的幅度調(diào)制，形成復(fù)雜的調(diào)幅波，使機組的故障信息調(diào)制到了各種振動信號之中。包絡(luò)譜分析技術(shù)就是利用帶通濾波和低通濾波的方法，將經(jīng)過調(diào)幅和調(diào)頻的振動信號從高頻沖擊故障振動信號中分離出來，然后利用包絡(luò)分析，去除一些跟故障不相關(guān)的高頻振動頻率，得到只包含故障特征信息的包絡(luò)信號。最后對這一包絡(luò)信號進(jìn)行頻譜分析，將故障頻率從測得的振動信號中提取出來，由此診斷故障［9］。

常用的包絡(luò)分析方法主要有希爾伯特(Hilbert)變換法、檢波濾波法、復(fù)調(diào)制和循環(huán)平穩(wěn)分析方法等，利用包絡(luò)提取信號的基本過程如圖3所示。

圖3 包絡(luò)分析對疊加波的處理

圖3表示的是兩個正弦波的疊加，此疊加信號的最低頻率有3個循環(huán)分量。通過對疊加信號的波峰和波谷添加正弦包絡(luò)線就可以將信號中的各個疊加信號分離出來，合成包絡(luò)線的幅值和頻率便為低頻分量的幅值和頻率。包絡(luò)線的垂直距離表示高頻成分的峰峰值，因此高頻頻率一般可以數(shù)出。

由于包絡(luò)譜分析技術(shù)可以從調(diào)制信號中將被遮蔽的故障振動信號提取出來，這就使得包絡(luò)譜分析技術(shù)可以更早并可靠地確認(rèn)故障部位及故障類型，從而使得包絡(luò)譜分析技術(shù)廣泛的應(yīng)用于齒輪箱和滾動軸承的故障分析中。

3.2.2 包絡(luò)譜分析技術(shù)應(yīng)用實例

為了更好的展示出包絡(luò)譜分析技術(shù)的處理效果，現(xiàn)用包絡(luò)譜分析技術(shù)對某雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電機傳動端軸承的振動信號進(jìn)行分析。軸承振動信號的時域與頻域波形頻譜如圖4所示。

圖4 軸承振動信號時域與頻域波形頻譜圖

在時域波形圖中，該軸承的振動參數(shù)已經(jīng)超過了規(guī)定限值，說明軸承存在故障。但是在頻域圖內(nèi)很難判斷出故障出自軸承的哪個元件，這就對機組的檢修維護(hù)造成極大地困難。為了對此故障做出進(jìn)一步的判斷，對此振動信號進(jìn)行了包絡(luò)譜分析，如圖5所示。

圖5 軸承振動信號包絡(luò)譜圖

此振動的包絡(luò)信號中存在161.875 Hz的基頻，并且其倍頻處的幅值呈依次遞減的狀態(tài)。經(jīng)計算得知:該基頻與內(nèi)環(huán)故障特征頻率(160.25 Hz)幾乎重合，由此可以判斷此軸承故障發(fā)生在內(nèi)環(huán)。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)此軸承存在安裝問題，進(jìn)而導(dǎo)致軸承內(nèi)環(huán)受載不均，造成磨損。

4 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前較為成熟的新能源發(fā)電技術(shù)，其承擔(dān)著能源體系改革的重任。然而風(fēng)力發(fā)電機組的主要故障為振動故障，其影響著風(fēng)力發(fā)電機組的壽命，也是阻礙其繼續(xù)發(fā)展的因素之一。通過對雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組振動故障的闡述，為風(fēng)力發(fā)電機組的故障診斷、運行維護(hù)和檢修策略提供了幫助，降低了機組的維護(hù)成本，提高了設(shè)備利用率。

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