風電機組軸承的狀態監測和故障診斷與運行維護

蘇連成,李興林,李小俚，張燕遼，張仰平

(1.杭州軸承試驗研究中心 博士后工作站，杭州 310022；2.燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004)

1 概述

從2005年至2010年，國內風電裝機經歷了5年的翻倍增長，截至2010年底，中國的風力發電裝機以4 183萬千瓦超越美國成為了全球第一的風電大國，但是總發電量只有500億千瓦時，仍低于美國。原因是并網容量與吊裝容量的差別，中國未并網容量高達30%以上，與國際先進水平相比還有較大差距，國際先進水平的未并網容量不到10%。未并網的原因，除了風力不足等自然原因外，主要是因為機組各種零部件的故障引起的計劃外停機。報告還顯示了風電發展的兩個趨勢，一是單機容量的不斷增大，2008年新增機組中兆瓦級以上的占90%以上，2.5兆瓦以上的達到了6%以上[1]；二是風電場逐步由陸地走到海上。由此可知，風電機組故障造成停機發電損失以及維護費用將大大提高。

風電機組主要零部件的可靠性研究[2-4]表明，在風電機組的故障中電氣和控制系統故障率最高，傳動系統(如齒輪箱、主軸承等)故障率相對較低，具體比例如圖1所示。但進一步的研究表明[5]，電氣和控制系統的故障容易排除，停機時間短(圖2)，也不需要吊車等輔助工具。從機組故障引發的停機時間、維護費用和是否容易造成的繼發故障等角度分析，與電氣和控制系統相比，機械傳動系統的狀態監測與預警維護更為重要。

圖1 瑞士風電場風電機組各零部件故障分布(%)[2]

圖2 風電機組關鍵部件故障率與故障引起的停機時間[5]

軸承是旋轉機械的關鍵部件，也是風電機組機械傳動系統的核心部件，機械傳動系統的齒輪箱、槳葉等非軸承故障，亦多是由軸承故障引起或可在軸承的運行狀態中得到反映。因此對軸承的運行狀態進行實時監測，對整個機械傳動系統的故障診斷和運行維護具有重要的意義。同時吊裝和更換機械傳動部件極為不便且成本很高[6-7]，在機組的單機容量不斷增加的情況下，不管是在陸地[8]還是在海上[9]，考慮風電機組的惡劣工況和長壽命、高可靠性的使用要求，風電軸承的運行狀態監測對降低風電場的維護費用，提高風電場的運行效率具有重要的經濟價值。

下文主要介紹目前最普遍的雙饋風力發電機組軸承的故障原因，已投入使用的軸承狀態監測與故障診斷系統和方法特點，并對軸承的運行維護提出建議，預測軸承狀態監測系統的發展前景。

2 故障分析

風電機組軸承大致可以分為4類：變槳軸承、偏航軸承、傳動系統軸承(主軸和變速箱軸承)及發電機軸承。偏航軸承安裝在塔架與座艙的連接部；變槳軸承安裝在每個葉片的根部與輪轂連接部位(除部分小功率兆瓦級以下的風力發電機為不可調槳葉，無變槳軸承外，每臺風力發電機設備用1套偏航軸承和3套變槳軸承，如圖3所示)，主軸連接輪轂和齒輪箱。風電機組軸承均為低速重載軸承，其中偏航和變槳軸承為不完全旋轉軸承。齒輪箱為增速箱，將葉輪的低速變為輸入到發電機的高轉速，二者的軸承與通常的發電機組除了在使用壽命和可靠性方面要求較高，并無其他不同。

圖3 雙饋風電機組各軸承位置

2.1 偏航和變槳軸承

變槳系統的作用是當風速過高或過低時，通過調整槳葉節距，改變氣流對葉片攻角，從而改變風電機組獲得的空氣動力轉矩，使功率輸出保持穩定。偏航系統主要有兩個功能，一是使風輪跟蹤風向；二是由于偏航，機艙內引出的電纜發生纏繞時，自動解纜。

偏航和變槳軸承要承受很大的傾覆力矩，且部分裸露在外，易受沙塵、水霧、冰凍等污染侵害，因此，要進行滿足整個使用壽命期的表面防腐處理。同樣重要的還有防止軸承內部潤滑脂泄漏、外界雜質侵入的密封技術。

偏航和變槳軸承要承受不定風力所產生的沖擊載荷，具有間歇工作，啟停較為頻繁，傳遞扭矩較大，傳動比高的特點。因此，偏航軸承要求小游隙；變槳軸承與偏航軸承相比，由于承受的沖擊載荷更大，由葉片傳遞的振動也大，所以要求為零游隙或小負游隙，以減小滾動工作面的微動磨損。

偏航和變槳軸承不完全旋轉的特點使得軸承的內、外圈在很小的角度范圍內擺動，因此其滾動體不是沿整個滾道滾動，而是搖動，即只移動很小的距離，一直是同一部分的滾動體受載荷的作用。此類軸承發生故障原因多為軸承潤滑不好造成的磨損、螺栓松動引起軸承移位和安裝不當引起軸承變形[10]。

2.2 主軸軸承

風力發電機組主軸從葉輪傳遞扭矩到增速箱，主軸軸承承受的力主要包括槳葉、輪轂及其附屬部件的質量，在工作過程中為懸臂梁結構，轉速低(10～30 r/min)且波動范圍大，傳輸載荷也容易突變，產生彎曲變形，要求其有較高的承載能力和傳動平衡精度。并且與偏航和變槳軸承一樣，工作過程中，不但要耐受強烈的風沙和各種腐蝕,還要承受較大的溫差。主軸軸承故障主要的原因是由于潤滑不良引起滾動體和滾道產生損傷從而過早失效。

2.3 齒輪箱軸承

齒輪箱是連接機組主軸和發電機的傳動部件，其主要功能是將主軸的低速運轉輸入，轉化成中速或高速發電機所需的輸出，是風力發電機中的重要部件之一。

一般齒輪箱質量為十幾噸至幾十噸,整個機艙距地面幾十米至一百多米高，一旦出現故障，不僅維修困難，而且費用也很高。隨著風電機組單機功率的不斷提高，在某種程度上其故障率和壽命局限成為風電發展的瓶頸。Vestas公司就曾經一次性更換了80臺風力發電機的齒輪箱，損失巨大；Micon公司因幾千臺齒輪箱的質量問題被迫更換，導致公司破產。

而國內、外的應用實踐表明，在風電齒輪箱的所有零部件里，軸承是最薄弱的環節之一，據統計，齒輪箱故障中約80%是由軸承失效所致[11-12]。雙饋風電機組齒輪箱基本上都是由行星級和平行級組成。對于輸入軸承，由于其轉速低，導致輸入軸軸承也就是行星架支承軸承的油膜形成往往比較難。常見的行星架軸承失效的原因主要是當剎車或是其他出現軸向載荷交替變換方向的工況時，主軸及其后面連接的行星架在軸向可能會有竄動，如果竄動量足夠大，則對圓柱滾子軸承會造成沖擊。而且，由于內齒圈和齒輪箱箱體是連成一體的，所以行星輪和行星架一起軸向竄動還會對行星輪造成齒面磨損。

行星輪軸承失效的原因主要是因為軸承外圈和行星輪內孔之間過盈配合量不足，或是由于齒輪變形而使兩者接觸面積減少的情況下，會出現外圈跑圈和磨損。高速軸軸承失效的原因主要是因為圓柱滾子軸承及四點接觸球軸承組合在高速級的應用中較為常見，在高速和低載的情況下，圓柱滾子軸承容易出現滾子打滑和滾道滑傷，而球軸承可能會出現滑傷和微剝落的損傷[13]。

發電機軸承與通常發電機組的軸承相比，除了要承受變速和變負載外，沒有大的不同，不再單獨論述。

3 監測方法

目前實際應用的風電軸承運行狀態監測與故障識別方法主要有基于數據采集與監視控制系統(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)的方法，基于振動分析、潤滑油檢測的方法，基于聲音[14-15]、紅外圖像的方法[16]以及多種方法相結合[5]等方法。

3.1 基于SCADA的方法

對于運行狀態監測，風電機組與通常的發電機組相比有自己的特點：通常的火力或水利發電機組的單機功率比風電機組大得多，機組數目少，因此狀態監測點少，而一個風電場通常幾十臺甚至上百臺風電機組，因此需要的傳感器數目和采集與通信的數據量比通常的發電機組要大得多，增加了風電機組的成本和復雜性，也限制了監測系統的應用普及。如果能利用風電機組已有的SCADA數據，不裝配額外的傳感器獲取風電機組軸承的運行狀態，是最經濟的方法。SCADA系統示意圖如圖4所示，其將以下運行參數的每十分鐘平均值發送到中央數據庫[17]：實際輸出功率和標準差、測風儀測量的風速和標準差、齒輪箱軸承溫度、齒輪箱潤滑油液溫度、發電機繞組溫度、功率因數、無功功率、相電流、機艙溫度(每小時平均)。

圖4 風電機組數據采集與監控系統示意圖

研究表明發電機的機械故障可以由感應電動機的終端發電機的輸出反應出來[18-21]，通過對感應電動機的電壓、電流和功率的穩定功率譜分析，對發電機的軸承、轉子的斷條、氣隙偏向等故障進行故障監測[22-24]。對于傳動軸承故障診斷，類似的研究還比較少[25]，用對電動機電流解調的方法監測多級齒輪箱的故障，用定子電動機電流識別齒輪箱滾動軸承的故障，由于電流的非平穩特點，引入了小波包變換的方法[23,26]。

在缺少振動傳感器的情況下，由SCADA參數反應的傳動系統軸承的運行狀態不夠具體。由多所大學、咨詢機構和風電機組制造商合作的歐盟項目ReliaWind[27]在主軸承、齒輪箱和發電機軸承處安裝振動傳感器，通過將每十分鐘的振動平均數據和SCADA數據參數相結合判斷風電機組的運行狀態[19-21]。

3.2 基于振動的方法

基于振動的方法在旋轉機械和其他發電機組的故障診斷中已廣泛應用，且取得了很好的效果。風電機組的發電機和齒輪箱高速軸承可以應用現有基于振動的故障診斷技術，只是由于風電機組的負載是非平穩的變量，常用的時域和頻域FFT分析方法的效果會受影響，在信號處理的方法上需要改進[28-29]。而對于主軸軸承和齒輪箱低速軸承，由于軸承的轉速低(10～30 r/min)，計算出的故障頻率低，而高通濾波器會將3 Hz以下的頻率過濾掉，再加上受到環境噪聲的影響，使得頻譜分析效果很差甚至無法進行；而在沖擊故障的瞬態性問題中，由于每次故障沖擊的間隔較長，使用沖擊法很難準確地檢測到故障信號；同時由故障點產生的沖擊響應的頻率較低，不能激勵起較高的頻率成分。以上原因限制了振動監測主軸軸承運行狀態的效果，但可從其運行情況反映葉片的運行狀態，比如識別其是否平衡，從而判斷其是否遭受冰凍等事故[30]。

目前風電機組通常的振動傳感器配置[31-32]如圖5所示，其中1，2是位移傳感器，監測主軸的絕對位移；3，4是靜態加速度傳感器，監測機艙水平和縱向的擺動；5，6是振動加速度傳感器，監測齒輪箱高速軸和發電機軸承。

圖5 通常的風電機組振動傳感器配置

3.3 基于潤滑油液的方法

資料顯示軸承的早期故障多與潤滑不良有關，主要原因有：(1)由于大氣溫度過低，潤滑劑凝固，造成潤滑劑無法到達需潤滑部位而造成磨損；(2)潤滑劑散熱不好，經常過熱，造成潤滑劑提前失效而損壞機械嚙合表面；(3)濾芯堵塞、油位傳感器污染,潤滑劑“中毒”而失效[33]。引起的故障有粘著磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、微動磨損和氣蝕。這些磨損出現之后，輕則金屬微粒會污染潤滑劑，影響功率傳遞，產生噪聲，造成齒面嚴重磨損或斷裂，軸承內、外圈或滾動體損壞，嚴重時使機組無法轉動而徹底停機。目前的油液監測系統主要是監測振動齒輪箱的潤滑油液(表1中系統15～18)，對于脂潤滑的部件尚沒有在線監測的方法。

振動監測是風電軸承監測的趨勢，但由于風電負載和風力的不穩定影響了傳統的時域和頻域FFT分析方法的效果，亟需引入新的非平穩信號的處理方法。但是另一方面，風電場對自己的監測數據采取一致的保密態度(因為需要對風電機組投保等原因)，從事信號處理的科研人員不太容易獲取實際數據。

對于主軸軸承、齒輪箱低速軸軸承、偏航和變槳軸承，由于是低速或不完全旋轉，限制了振動監測的效果。齒輪箱低速軸軸承可以采用潤滑油液的在線監測方法，但對于主軸軸承、偏航和變槳軸承，多采用潤滑脂潤滑或潤滑脂和潤滑油液混合潤滑，難以采用在線監測的方法，離線的樣品采集往往也難以保證樣品參與潤滑工作，監測的效果不易保證。

4 現有的軸承故障診斷系統

目前現有的風電機組故障診斷系統見表1。其中1～14為振動傳感器，15～18為油液監測傳感器。

表1 風電機組故障診斷監測系統

5 結束語

對于風電機組的在線狀態監測，到目前為止，國內的研究主要還停留在實驗室階段[34]，對于風電機組的軸承維護與故障診斷的建議與前景[35]如下：

(1)結合SCADA數據庫的振動監測方法具有很好的前途，但單純的監測傳感器在負載和轉速突變的情況下難以保證監測效果，需要參考SCADA的其他數據。

(2)由于風電場往往有幾十臺機組，監測點多，數據采集和傳輸的工作量大，振動傳感器需要自動故障診斷功能，并可將報警信號直接發送到控制系統；況且由于我國的風電場主要處于風力資源豐富的北方，冬天氣溫低，春天有沙塵暴，灰塵、冷凍容易引起潤滑失效，為此要特別注重軸承的潤滑監測。

(3)負載和轉速的變化也使通常的時域和頻域信號分析方法的效果受到限制，需要引入新的信號處理方法，為此需要風電場與高校和科研院所合作；同時大力研究開發聲發射、引力等新型傳感器也有重要的意義。