婁源元

(北京國電思達(dá)科技有限公司，北京 100000)

隨著我國可再生能源產(chǎn)業(yè)不斷地發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電為清潔能源作出了突出貢獻(xiàn)，其中直驅(qū)式和雙饋式機(jī)組應(yīng)用最為廣泛，但隨著發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長增加，導(dǎo)致軸承失效常發(fā)。統(tǒng)計(jì)其軸承故障情況并結(jié)合軸承失效理論，得出該類軸承失效原因主要有以下四方面：軸電流、潤滑不良、磨損及軸系不對中。本文利用風(fēng)電場SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)監(jiān)控系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控分析，根據(jù)軸承信號(hào)特征，使用LabVIEW語言對風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承設(shè)計(jì)了幅頻域故障診斷子系統(tǒng)。并驗(yàn)證了發(fā)電機(jī)軸承故障的發(fā)生過程。

1 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承失效的主要因素

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)艙、葉輪等安裝而成，其中雙饋式風(fēng)機(jī)的機(jī)艙傳動(dòng)鏈軸系由主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)中心軸構(gòu)成。變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子供電，在不同的風(fēng)速下，通過改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率，保證發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能與電網(wǎng)頻率相同。但變頻器的引入，使得軸電流腐蝕成為軸承常發(fā)故障之一，機(jī)組維護(hù)不到位引起的潤滑不良、磨損及軸系不對中也是發(fā)電機(jī)軸承故障的主要原因。

1)軸電流腐蝕。雙饋異步發(fā)電機(jī)組中，變頻器向轉(zhuǎn)子供電，轉(zhuǎn)子帶電后引起軸承電腐蝕也較為普遍，軸電流產(chǎn)生原因主要為磁力線分布不對稱和轉(zhuǎn)軸磁化效應(yīng)[1]。

2)潤滑不良和磨損失效。保證軸承正常運(yùn)行的條件之一就是有良好的潤滑，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)位分散，位置偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣，導(dǎo)致定期維護(hù)不便，隨著機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行，潤滑得不到保障，隨著潤滑油脂有效成分的流失，廢油無法及時(shí)排出，勢必會(huì)形成油脂板結(jié)，加快軸承的磨損。因此風(fēng)電機(jī)組增加了自動(dòng)潤滑系統(tǒng)，但仍需要注意廢油的及時(shí)清理。

3)軸系不對中引起的軸承失效。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈傳遞機(jī)械能，各傳動(dòng)部件間構(gòu)成了軸系，在組裝傳動(dòng)鏈、吊裝過程中存在的誤差，以及后期機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)等原因，軸系間產(chǎn)生不對中的情況經(jīng)常出現(xiàn)，引起軸承失效。因此在雙饋式風(fēng)電機(jī)組定期維護(hù)過程中均有對軸系對中的工作。

2 利用SCADA系統(tǒng)軟件監(jiān)控軸承運(yùn)行狀態(tài)

風(fēng)電機(jī)組一般所處位置偏遠(yuǎn)、地域分散，所以SCADA監(jiān)控系統(tǒng)對于風(fēng)電場長期安全可靠運(yùn)行發(fā)揮著重要的作用。SCADA具有風(fēng)機(jī)控制、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、電量統(tǒng)計(jì)、風(fēng)速測量、風(fēng)向和部件溫度監(jiān)測等功能。其中軸承溫度信息是判斷其運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)之一，在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和后端軸承處都裝有溫度傳感器，用以檢測軸承或箱體的溫度，軸承溫度對載荷、轉(zhuǎn)速和潤滑情況比較敏感[2]，尤其是軸承失效后，軸承溫度將會(huì)出現(xiàn)異常溫升情況，因此可以通過對溫度的變化分析軸承運(yùn)行狀態(tài)。風(fēng)電機(jī)組SCADA系統(tǒng)中實(shí)時(shí)設(shè)置溫度80℃為報(bào)警門限，95℃為故障停機(jī)閾值。圖1為國產(chǎn)某品牌風(fēng)電機(jī)組SCADA監(jiān)控系統(tǒng)界面。

圖1 SCADA監(jiān)控系統(tǒng)界面圖

上述界面為實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，還可以利用SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)取功能，將數(shù)據(jù)庫中的溫度記錄調(diào)取進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，關(guān)注溫度變化狀態(tài)，著重觀察是否有異常溫升情況，為維護(hù)和檢修工作制定計(jì)劃。圖2為發(fā)電機(jī)前端(驅(qū)動(dòng)端)軸承溫度時(shí)域曲線。圖2中橫坐標(biāo)為10 min每次的采樣周期數(shù)。

圖2 軸承溫度分析界面圖

僅利用SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，并不能準(zhǔn)確地判斷軸承是否已經(jīng)失效，因?yàn)樵谳S承的運(yùn)行過程中，潤滑不良、油脂板結(jié)，廢油未及時(shí)清理等情況，也會(huì)引起軸承的溫度升高。SCADA系統(tǒng)雖然對軸承的狀態(tài)起到預(yù)警的作用，但仍需要更加準(zhǔn)確的方法來判別軸承是否發(fā)生失效。

3 故障信號(hào)的分析方法

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)理論在信號(hào)處理方面應(yīng)用的不斷深入，時(shí)域分析、頻域分析和時(shí)頻域等信號(hào)分析法已相當(dāng)成熟。時(shí)域分析雖然簡單易懂，但缺點(diǎn)是不能準(zhǔn)確地判斷出故障發(fā)生位置，由于失效形式多樣，時(shí)域分析對故障信號(hào)的處理能力有限；頻域分析法則可以對信號(hào)進(jìn)行深層次的分解，來展示振動(dòng)故障情況。隨著小波技術(shù)，共振解調(diào)技術(shù)，功率譜，包絡(luò)譜等技術(shù)的推進(jìn)，使信號(hào)診斷更加精密精確，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、故障樹等方法使得故障診斷得到更加深入的發(fā)展。

3.1 信號(hào)的時(shí)域分析

時(shí)域信號(hào)分析時(shí)對信號(hào)最直接的分析描述方法，反應(yīng)了信號(hào)的幅值隨時(shí)間變化的特性，對信號(hào)幅值進(jìn)行處理，用以獲取有量綱和無量綱特征參數(shù)信息，信號(hào)的幅域分析常用特征參數(shù)有均值、均方根、方差、峭度、峭度系數(shù)和裕度系數(shù)等。其中峭度系數(shù)、裕度系數(shù)在檢測沖擊脈沖類故障時(shí)有比較好的效果，有統(tǒng)計(jì)資料表明，使用峭度系數(shù)和均方根值(RMS)共同檢測，故障診斷成功率可達(dá)到95%以上[3]。

3.2 信號(hào)的頻域分析

信號(hào)分析最重要、常用的就是頻域分析法。當(dāng)軸承零件上產(chǎn)生了失效后，在運(yùn)行過程中因碰撞而產(chǎn)生高頻沖擊振動(dòng)，產(chǎn)生沖擊力的脈沖寬度一般很小，因力的頻譜與脈沖時(shí)間成反比，則其頻譜范圍較大，可以在很寬的頻率范圍內(nèi)激勵(lì)軸承-傳感器系統(tǒng)的固有振動(dòng)，根據(jù)這一特征選用合適的加速度傳感器，進(jìn)而將故障沖擊引起的衰減放大。沖擊脈沖法(SPM)和共振解調(diào)法(IFD)正是利用上述原理來對滾動(dòng)軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷。

沖擊脈沖法診斷的思路為用沖擊脈沖值的絕對分貝(dBsv)減去背景分貝(dBi)得到標(biāo)準(zhǔn)分貝(dBn)，即dBn= dBsv- dBi，通過標(biāo)準(zhǔn)分貝進(jìn)而判斷滾動(dòng)軸承狀態(tài)。若

0≤dBn≤20 dB，正常狀態(tài)；

20 dB≤dBn≤35 dB，軸承有初期損傷；

35 dB≤dBn≤60 dB，軸承出現(xiàn)較重?fù)p傷[4]。

共振解調(diào)法對信號(hào)進(jìn)行一系列的濾波、解調(diào)等處理，得到軸承的特征信號(hào)頻譜，通過對照軸承的特征頻率，進(jìn)而判斷軸承是否發(fā)生損傷及其損傷部位。

4 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)分以下幾個(gè)步驟。

1)確定特征頻率和背景分貝。通過分析這些特征頻率能夠非?？焖俚刂里L(fēng)機(jī)軸承發(fā)生異常情況下的故障特征頻率，對于故障診斷來說是一個(gè)非常有效的手段[5]，通過計(jì)算背景分貝確定標(biāo)準(zhǔn)分貝。特征頻率，背景分貝程序圖見圖3。

圖3 特征頻率，背景分貝程序圖

2)信號(hào)濾波。采用一個(gè)用中心頻率與傳感器諧振頻率相同的帶通濾波器去除信號(hào)中的干擾成分，將信號(hào)中的固有振動(dòng)分離出來。在LabVIEW語言中可以使用兩種方法實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的濾波，即通過濾波模塊或小波包變換實(shí)現(xiàn)。濾波程序圖見圖4。

圖4 濾波程序圖

3)沖擊脈沖法和共振解調(diào)法程序?qū)崿F(xiàn)。使用沖擊脈沖法確定滾動(dòng)軸承的失效程度，使用共振解調(diào)法確定故障發(fā)生的部位。

沖擊脈沖診斷方法程序設(shè)計(jì)主要包含以下四個(gè)信號(hào)處理步驟：帶通濾波、包絡(luò)檢波、振動(dòng)信號(hào)的加速度值轉(zhuǎn)化為分貝值變換和沖擊脈沖幅值分析。原始時(shí)域信號(hào)經(jīng)過一個(gè)帶通濾波模塊之后進(jìn)入包絡(luò)檢波；包絡(luò)檢波包括兩個(gè)模塊：一個(gè)Hilbert變化模塊和一個(gè)直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)變換模塊，完成的運(yùn)算是實(shí)信號(hào)和其Hilbert變換構(gòu)成解調(diào)信號(hào)；而后通過加速度值與分貝值轉(zhuǎn)化模塊得出沖擊脈沖值，最后進(jìn)行幅值分析。

共振解調(diào)法的程序設(shè)計(jì)與沖擊脈沖法的帶通濾波、包絡(luò)檢波設(shè)計(jì)相同，信號(hào)分解后進(jìn)入了一個(gè)Hilbert變化模塊和一個(gè)直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)變換模塊，完成的運(yùn)算是實(shí)信號(hào)和其Hilbert變換構(gòu)成解調(diào)信號(hào)；而后通過一個(gè)低通濾波器；最后作譜分析。

5 故障實(shí)例分析

某風(fēng)電場安裝國產(chǎn)2.0 MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)前后軸承為SKF寬游隙的深溝球軸承6 334 M/C3H。某日現(xiàn)場通過SCADA系統(tǒng)監(jiān)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)XY200風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)軸B溫度過高，92℃報(bào)警停機(jī)，現(xiàn)場開具工作票后上塔進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)扇和軸承潤滑泵均工作正常，pt本身無問題，用手接觸后軸附近，明顯感覺溫度偏高，維護(hù)人員檢查軸B排油盒發(fā)現(xiàn)，排出的廢油發(fā)黑，有板結(jié)顆粒。然后對軸承進(jìn)行排油，并重新加注新油脂，恢復(fù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，直至軸B溫度達(dá)到95℃風(fēng)機(jī)再次停機(jī)。使用SCADA監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)取該臺(tái)風(fēng)機(jī)軸承溫度的歷史數(shù)據(jù)分析如圖5所示，軸承在采樣點(diǎn)橫坐標(biāo)為397的采樣周期內(nèi)(采樣周期為10 min)，軸承溫度從27℃上升至63℃，判斷此時(shí)軸承已出現(xiàn)異常狀態(tài)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間雖有軸承溫度高于80℃的報(bào)警情況，但因未到故障停機(jī)溫度，運(yùn)行人員未加以關(guān)注，直至達(dá)到停機(jī)溫度，風(fēng)機(jī)故障停機(jī)。

圖5 軸承溫度分析圖

利用Lab VIEW軸承故障診斷程序進(jìn)行分析，軸承參數(shù)：節(jié)圓直徑D=265 mm，滾動(dòng)體直徑d=55.56 mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)n=8，接觸角α=0°。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速N=1 780 r/min。設(shè)置采樣頻率12 kHz。采樣點(diǎn)數(shù)1 024。計(jì)算得出軸承外圈故障特征頻率為183.56 Hz。使用沖擊脈沖法和共振解調(diào)法分析軸承信號(hào)如圖6，圖7所示。

圖6 沖擊脈沖法外圈標(biāo)準(zhǔn)分貝圖

圖7 共振解調(diào)法故障頻率圖

由圖6可以看出標(biāo)準(zhǔn)分貝最大值為45 dB，表明軸承已出現(xiàn)嚴(yán)重失效。由圖7中看出在外圈故障頻率的1/2倍、1倍、2倍頻率處出現(xiàn)明顯的峰值，表明該軸承外圈發(fā)生故障，經(jīng)現(xiàn)場對發(fā)電機(jī)軸B軸承拆解后發(fā)現(xiàn)，軸承外圈確實(shí)存在嚴(yán)重磨損。

6 結(jié) 語

本文首先總結(jié)了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承失效的四種主要因素：軸電流腐蝕、潤滑不良、磨損及軸系不對中引起的軸承失效，然后基于SCADA系統(tǒng)和LabVIEW故障診斷程序，分析了軸承故障，在監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)軸承的故障診斷，有效提高了風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和故障分析效率。