崔夕峰，王建梅，寧 可

(1.太原重工新能源裝備有限公司,太原 030024；2.太原科技大學(xué) 山西省冶金設(shè)備設(shè)計理論與技術(shù)重點實驗室，太原 030024)

近年來，隨著能源危機(jī)的日益突出。風(fēng)能以其清潔性、可再生性，越來越受到世界各國的重視，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量迅猛增長。[1]隨即導(dǎo)致風(fēng)機(jī)設(shè)備市場競爭的激烈程度不斷加劇，廠商紛紛通過加大葉片、增高鐵架、提升風(fēng)機(jī)體積的方式來提高經(jīng)濟(jì)效益；風(fēng)機(jī)承受的風(fēng)力載荷越來越大，發(fā)電機(jī)以及軸承、齒輪箱等設(shè)備的故障率不斷升高。[2-4]又由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多處于環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，設(shè)備維修成本較高，為最大限度減少維修支出，同時降低惡性故障發(fā)生的幾率，就必須在風(fēng)電組件進(jìn)入加劇磨損期前通過維護(hù)措施延長使用壽命，并在其即將損壞前及時更換維修[5]。

通過對近年來風(fēng)電機(jī)組故障的統(tǒng)計分析可以得出：在故障次數(shù)上，雖然發(fā)電機(jī)、齒輪箱和主軸只占各類故障停機(jī)次數(shù)權(quán)重的18.1%， 但在停機(jī)時間上的統(tǒng)計已經(jīng)占到了68.7%[6]。因此，加強(qiáng)對發(fā)電機(jī)、主軸、齒輪箱等關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測，采用預(yù)知維修和故障診斷技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)故障隱患、快速分析、診斷、處理故障，對保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運行有著重要意義。在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)的風(fēng)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測分析與故障診斷系統(tǒng)，使用集散式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過安裝于每臺風(fēng)機(jī)機(jī)艙的數(shù)據(jù)采集裝置實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集，再利用設(shè)立在風(fēng)場升壓站的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)完成分析功能。[7]而在設(shè)備監(jiān)測過程中，振動超標(biāo)現(xiàn)象時有發(fā)生，隨即導(dǎo)致風(fēng)機(jī)強(qiáng)制停機(jī)，嚴(yán)重影響發(fā)電效率，降低風(fēng)機(jī)的使用壽命。本文以某廠2MW發(fā)電機(jī)振動測試為例，對振動超標(biāo)問題進(jìn)行初步的探索研究。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測介紹及超標(biāo)原因分析

以2 WM風(fēng)電機(jī)組作為研究對象，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3 m/s左右，以切入風(fēng)速實現(xiàn)風(fēng)機(jī)初次并網(wǎng)，風(fēng)速達(dá)到9 m/s左右發(fā)出額定功率，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到22 m/s時切出停機(jī)[8]。隨著風(fēng)速的變化，風(fēng)機(jī)狀態(tài)改變較大，且極不穩(wěn)定，因此，在監(jiān)測過程中機(jī)組本身固定一些永久性監(jiān)測點的難度較大，通常在機(jī)組外部加裝一些監(jiān)測點。振動監(jiān)測通常利用測量軸系各支撐點的瓦振，再借助速度傳感器得到瓦振的振動速度幅值、相位，或者進(jìn)行積分得到瓦振的振動位移幅值、相位?；诖送瓿烧駝訑?shù)據(jù)的采集和振動標(biāo)準(zhǔn)的擬定。其中VDI3834標(biāo)準(zhǔn)是被國內(nèi)外大多數(shù)知名企業(yè)所接受的風(fēng)機(jī)振動評測標(biāo)準(zhǔn)，見表1.其中，評估參數(shù)位于區(qū)域A為風(fēng)電機(jī)組及其組件適合在其振動載荷下連續(xù)運行，區(qū)域B為不適合持久性地運行，區(qū)域C為危險區(qū)域，當(dāng)機(jī)組各主要部件振動程度低于區(qū)域界線A/B標(biāo)準(zhǔn)值時，表示振動狀態(tài)良好；振動程度高于區(qū)域界線B/C標(biāo)準(zhǔn)值，表示振動處于危險區(qū)域；振動程度處于兩邊界值之間時，表示振動處于報警區(qū)，不宜長期連續(xù)運行。

表1 VDI3834-1振動烈度限幅表( mm/s)
Tab.1 Limited amplitude of VDI3834-1vibration intensity

主軸承齒輪發(fā)電機(jī)A/B邊界值2．03．56．0B/C邊界值3．25．610

風(fēng)電機(jī)組在運轉(zhuǎn)中，產(chǎn)生振動過程的監(jiān)測超標(biāo)問題，一是因為風(fēng)機(jī)本身工作環(huán)境惡劣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜使軸承和齒輪箱等關(guān)鍵部件極易受到破壞、產(chǎn)生故障；二是與電機(jī)彈性支撐的選定以及監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定數(shù)值有關(guān)。

針對風(fēng)機(jī)本身的問題，依據(jù)近年來的相關(guān)統(tǒng)計，在風(fēng)電機(jī)組振動超標(biāo)的所有故障中，齒輪箱和軸承的故障率占總權(quán)重的近80%[9]，分析其故障產(chǎn)生的可能性因素，首先是變載荷的重載狀態(tài)下，齒輪箱、軸承等關(guān)鍵部件在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生大量熱量，容易造成潤滑劑溫度過高發(fā)生失效，進(jìn)而導(dǎo)致軸承、齒輪箱等部件產(chǎn)生故障[10]。其次設(shè)計制造上的缺陷也是導(dǎo)致故障產(chǎn)生的重要因素，由于軸承、齒輪等部件在承載能力設(shè)計過程中，一般不是取實際運行的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，而是按照常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，造成廠商選用的應(yīng)用系數(shù)普遍偏低，再加上實際運行過程中風(fēng)載荷的不穩(wěn)定性，使得理論設(shè)計值與實際要求值存在一定偏差，容易引發(fā)機(jī)組故障[11]。此外，油液泄漏、軸不對中、斷齒、斷軸等都會引起振動超標(biāo)、機(jī)組故障，必須根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，具體問題具體分析。

針對電機(jī)彈性支撐的選定以及超標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定問題，主要是由于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定環(huán)節(jié)缺乏足夠的實驗檢驗，往往采用常規(guī)數(shù)據(jù)，沒有針對具體風(fēng)場、溫度、氣候進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)規(guī)整。這些需要相關(guān)企業(yè)在設(shè)計制造、檢驗檢測環(huán)節(jié)進(jìn)行大量的風(fēng)機(jī)試驗、數(shù)據(jù)處理，而我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，實驗檢測水平較低，相關(guān)制度仍不完善，風(fēng)電廠商在這些方面還存在很大欠缺，再加上監(jiān)測設(shè)備主要依靠進(jìn)口，在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定上仍需要進(jìn)行很深入的探究。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動測點布置及傳感器選擇

通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和振動監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)場工作情況的具體分析，在前后軸承、齒輪箱齒輪和發(fā)電機(jī)等部位較容易出現(xiàn)振動超標(biāo)，產(chǎn)生設(shè)備故障[10]?？紤]到風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)的具體情況及測試的方便性，將振動傳感器主要布置在主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)上。

以2 MW風(fēng)電機(jī)組作為研究對象，在主軸監(jiān)測布置中，因為機(jī)組整體一般為單主軸承結(jié)構(gòu)，主軸自身只承載少量的軸向推力，發(fā)生故障時的特征主要表現(xiàn)在徑向上，因此在主軸承上安裝一個徑向振動傳感器即可達(dá)到監(jiān)測目的。齒輪箱齒輪監(jiān)測主要考慮齒輪箱與高速軸聯(lián)接的斜齒齒輪結(jié)構(gòu)，在運行過程中會產(chǎn)生連續(xù)的軸向推力，因此，不僅要在高速軸軸向部位安裝傳感器實現(xiàn)對軸不對中問題的監(jiān)測，而且還應(yīng)在發(fā)電機(jī)驅(qū)動端軸向部位加裝一個傳感器提升監(jiān)測效率。除此之外，在發(fā)電機(jī)兩端徑向位置布置的傳感器監(jiān)測到明顯的轉(zhuǎn)頻信號后，驅(qū)動端軸向傳感器監(jiān)測的頻譜圖也可以有效地完成對轉(zhuǎn)子彎曲或者轉(zhuǎn)子不平衡故障的監(jiān)測[12]。根據(jù)以上監(jiān)測原理確定安裝布置方案如表2，振動傳感器的布置位置如圖1.

表2 風(fēng)電機(jī)組振動測點布置表
Tab.2 Measurement points layout of wind turbine group

測點名稱測點數(shù)量傳感器備注機(jī)組主軸承1低頻速度傳感器水平齒輪箱輸入軸2低頻速度傳感器徑向、軸向發(fā)電機(jī)前軸承2速度傳感器徑向、軸向發(fā)電機(jī)后軸承1速度傳感器徑向轉(zhuǎn)速1光電傳感器

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動測點布置示意圖
Fig.1 Diagram of vibration measurement

圖2 測量現(xiàn)場
Fig.2 Measurement scenepoint layout of wind turbine group

3 具體實例分析及問題解決

某型號2 MW發(fā)電機(jī)各項性能指標(biāo)在廠內(nèi)試驗測試中均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但根據(jù)客戶反映，在某彈性支撐上轉(zhuǎn)速1 200 rpm 時振動超標(biāo)問題嚴(yán)重，具體數(shù)據(jù)如表3.

由表3可知，電機(jī)在1 200 rpm時，底腳的振動接近甚至大于軸承的振動，經(jīng)過整機(jī)勘測，機(jī)組本身不存在設(shè)備故障，由此推斷電機(jī)在1 200 rpm時的振速幅值可能與安裝基礎(chǔ)和彈性支撐有關(guān)。針對該型號電機(jī)的超標(biāo)問題，總結(jié)歸納可能的原因一是彈性支撐的選取問題，二是超標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定問題。隨后通過試驗臺進(jìn)行5種剛度為彈性支撐的全轉(zhuǎn)速振動試驗來驗證以上推論并通過試驗求取彈性支撐與電機(jī)的最佳匹配度。

實驗儀表選用光電轉(zhuǎn)速儀，加速度傳感器等，測量現(xiàn)場見圖2.被測電機(jī)為隨機(jī)抽取的兩臺2 MW發(fā)電機(jī)(按照測量順序標(biāo)為1#機(jī)和2#機(jī))，分別選擇某型號剛度為15 kN/mm、12.5 kN/mm、9 kN/mm、4 kN/mm的彈性支撐作為電機(jī)支撐。求取電機(jī)空載工況在剛性支撐和不同彈性支撐下的全轉(zhuǎn)速振速曲線(2～1 000 Hz).

表3 某型號電機(jī)1 200 rpm時振速數(shù)據(jù)( mm/s)
Tab.3 A model generator velocity data at 1 200 rpm

1#電機(jī)剛性基礎(chǔ)兩端軸承振動隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖3所示，電機(jī)振動數(shù)值隨著轉(zhuǎn)速的增加呈增大趨勢，但數(shù)值普遍較小，1 800 rpm 振速最大為1.55 mm/s.電機(jī)在彈性為15 kN/mm下兩端軸承的振動隨轉(zhuǎn)速的變化如圖4所示，電機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值轉(zhuǎn)速分別為760 rpm、920 rpm、1 320 rpm，現(xiàn)場測量的1 200 rpm 偏離峰值。12.5 kN/mm彈性支撐下兩端軸承振動隨轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示，峰值轉(zhuǎn)速分別為1 180 rpm、1 240 rpm、1 620 rpm、1 760 rpm，現(xiàn)場測量的1 200 rpm接近峰值。9 kN/mm 彈性支撐下兩端軸承振動隨轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示，峰值轉(zhuǎn)速分別為760 rpm、920 rpm、1 320 rpm，現(xiàn)場測量的1 200 rpm偏離峰值。4 kN/mm彈性支撐下兩端軸承振動隨轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示，峰值轉(zhuǎn)速分別為600 rpm、780 rpm、1 140 rpm，現(xiàn)場測量的1 200 rpm在峰值回落區(qū)，1 200 rpm 以上至額定轉(zhuǎn)速無峰值。

2#電機(jī)僅對剛性基礎(chǔ)兩端軸承振動隨轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行試驗，曲線如圖8所示，電機(jī)在剛性支撐下，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振速最大1.7 mm/s，振動規(guī)律與1#電機(jī)相同。

圖3 1#電機(jī)剛性基礎(chǔ)兩端軸承振動曲線
Fig.3 The vibration curves at the both ends of bearings on 1#wind turbines of rigid foundation

圖4 彈性支撐剛性為15 kN/mm時振動曲線
Fig.4 The vibration curves of elastic support stiffness 15 kN/mm

圖5 彈性支撐剛性為12.5 kN/mm時振動曲線
Fig.5 The vibration curves of elastic support stiffness 12.5 kN/mm

圖6 彈性支撐剛性為9 kN/mm時振動曲線
Fig.6 The vibration curves of elastic support stiffness 9 kN/mm

圖7 彈性支撐剛性為4 kN/mm時振動曲線
Fig.7 The vibration curves of elastic support stiffness 4 kN/mm

圖8 2#電機(jī)剛性基礎(chǔ)兩端軸承振動
Fig.8 The vibration curves at the both ends of bearings on 2#wind turbines of rigid foundation

通過以上測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：(1)試驗電機(jī)剛性支撐下振動良好，振速均小于2.3 mm/s，符合GB/T10068-2008標(biāo)準(zhǔn)[13]對電機(jī)振動的要求；(2)電機(jī)在彈性支撐下，會出現(xiàn)多個由電機(jī)與彈性支撐共振造成的振動峰值；(3)隨著剛度的變化，電機(jī)振動峰值點也在發(fā)生變化。其中，剛度15 kN/mm、12.5 kN/mm、9 kN/mm均不同程度在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 rpm至1 755 rpm有共振較大的峰值點出現(xiàn)；剛度4 kN/mm在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從1 200 rpm至1 755 rpm共振峰值較小。(4)系統(tǒng)共振轉(zhuǎn)速和彈性支撐剛度與電機(jī)的匹配密切相關(guān)，對于1#電機(jī)的多種彈性支撐，剛度4 kN/mm時振動曲線峰值最大轉(zhuǎn)速為1 140 rpm，1 200-1 750 rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間再無峰值，彈性支撐與電機(jī)匹配度相對較好。

再結(jié)合該型號電機(jī)在風(fēng)場的實際運行狀況，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 200 rpm的切入轉(zhuǎn)速，并且滿足特定持續(xù)運轉(zhuǎn)時間條件后，發(fā)生并網(wǎng)；電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 750 r/min后達(dá)到額定功率，風(fēng)機(jī)進(jìn)入最佳出力狀態(tài)。為了降低風(fēng)機(jī)振動損害，應(yīng)該盡量避免振動峰值出現(xiàn)在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。根據(jù)上述試驗結(jié)果，采用剛度4.0～6.0 kN/mm的彈性支撐作為推薦值。

結(jié)合圖7發(fā)電機(jī)的振速在6 mm/s以下時不會對發(fā)電機(jī)造成有害影響，由此將振動標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為6 mm/s，報警值設(shè)為7.5 mm/s，超過10 mm/s必須停機(jī)。選用合適彈性支持和振動標(biāo)準(zhǔn)后，該型號風(fēng)機(jī)振動超標(biāo)現(xiàn)象明顯減少。

4 結(jié) 論

(1)發(fā)電機(jī)組振動超標(biāo)的原因一方面來自于機(jī)組故障本身，另一方面來自于彈性支持的選定或者振動標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定問題。針對不同的風(fēng)場、溫度，需要具體問題具體分析，通過大量試驗確定超標(biāo)原因。

(2)根據(jù)2 MW風(fēng)機(jī)以1 200 rpm作為切入轉(zhuǎn)速，在特定持續(xù)運轉(zhuǎn)時間條件下，發(fā)生并網(wǎng)；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 750 rpm后達(dá)到額定功率，為了降低振動損害，應(yīng)盡量避免振動峰值出現(xiàn)在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。根據(jù)試驗結(jié)果，推薦采用剛度4.0～6.0 kN/mm的彈性支撐。

(3)風(fēng)機(jī)的在線振動監(jiān)測時域指標(biāo)分析方法簡單、快捷，是實現(xiàn)在線報警的良好選擇，但是振動量值的大小缺少參照標(biāo)準(zhǔn)[14]，本文基于風(fēng)電機(jī)組試驗，推薦2 MW風(fēng)機(jī)振動標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為6 mm/s，報警值設(shè)為7.5 mm/s，超過10 mm/s必須停機(jī)，同時通過風(fēng)機(jī)風(fēng)場試驗完全可靠，為相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)參考。

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