風電機組震動檢測與故障診斷分析

楊柏柞

摘要：風電機組運行環境比較特殊，再加上風速具有很強的不穩定性，受交變負載影響，很容易造成機組傳動系統部件的損壞，同時因為機組安裝位置偏遠維修工作困難，這樣就對機組震動檢測與故障診斷提出了較高的要求。本文分對風電機組常見故障進行了分析，并提出了機組震動檢測與故障診斷的方法。

關鍵詞：風電機組；震動檢測；故障診斷

一般情況下風電機組都會設置有專門的運行維護中心，對易發生損傷的部件進行管理，對機械與電氣系統進行全面管理，增加設備維護與檢修的次數，在整體上控制好機組的運行效果。對于風電機組震動檢測與故障診斷工作的開展，下結合機組運行特點來進行，建立完善見檢測系統。

1.風電機組震動檢測概述

對于風電機組的震動檢測與故障診斷，主要是通過安裝在機組設備上或者附近的傳感器，完成對機組運行狀態信號的采集。傳感器信號經過調理、傳輸以及采樣后進入到信號處理模塊，將冗余部分去除，最終獲得狀態特征量。將狀態特征量傳輸到狀態辨識模塊，在獲得辨識結果通過檢測與診斷決策模塊來完成綜合決策，由輸出設備來得出診斷結果。其中，對于風電機組運行狀態信號處理、辨識、檢測以及診斷等整個過程的實施主要由計算機系統以及專業儀器設備來實現的，通過對信號的分析辨識，確定機組是否存在故障。

2.風電機組傳動系統常見故障

2.1 齒輪故障

主要包括齒形誤差、斷齒故障、齒面磨損、齒面膠合以及齒面點蝕等。第一，在機組設備齒輪箱中嚙合齒輪發生故障，會伴隨著一定特性的振動發生，這樣通過對振動信號進行分析，就可以確定故障的類型。如果存在齒輪誤差，會使得振動信號時域波形出現明顯的調制現象，在頻域嚙合頻率與諧波附近出現調制邊頻帶，如果齒形誤差比較嚴重，產生的較大激振能量不僅會產生嚙合頻率調制，還會產生共振調制現象[1]。第二，因為風電機組運行時風速不穩定，會對葉片造成一定影響，存在的不規則沖擊力會通過葉片傳到齒輪箱，最終轉變成沖擊荷載，會對齒輪造成嚴重的磨損，并且還會使齒根部位在彎曲應力的作用下，逐漸產生疲勞裂紋，隨著裂紋的持續擴展，最終造成輪齒彎曲疲勞折斷。

2.2 軸承故障

無論是低速軸還是高速軸位置的軸承，在受到風電機組交變荷載以及重載的影響，都需要承受一定的沖擊力，造成軸承部件出現損壞，例如常見的軸承磨損失效、斷裂失效、疲勞失效以及膠合失效等。如果軸承結構在惡劣的環境內持續工作，或者是部件發生一定故障后持續運行，滾動軸承外環松動現象會繼續加大，最終會因為軸承故障激勵起外環固有頻率產生調制現象[2]。另外，軸不平衡也是比較常見的故障，主要是由于軸部件質量中心偏移，或者部件出現缺陷而產生的。此類故障發生時具有一定的特征，如在位于臨界轉速以下時，振幅會隨著轉速的增加而增大，在達到臨界以上轉速時，振幅增加趨于平緩，并且在接近臨界轉速時，會發生共振，振幅具有最大峰值。

3.風電機組震動檢測與故障診斷系統分析

3.1 系統設計分析

對于風電機組震動檢測與故障診斷系統的設計，要明確其目的是通過各種檢測方法的應用，收集并分析檢測信號，判斷被檢測機組運行狀態，在設備出現故障前給予警告，以此來保證設備能夠正常運行，提高機組運行的可靠性。系統的設計，需要包括幾個方面，即信息的有效獲取、震動檢測的連續性、信息處理的時效性、數據傳輸交流的可靠性、人機界面的友好型以及存儲管理的便捷性，保證所有方面的有效實現，保證整個系統能夠長期持續運行，在數據的分析處理上具有時效性，并且利用服務器來完成數據的存儲與在線檢測，同時客戶端通過服務器的訪問來完成對設備的在線檢測。

通過對系統需求以及功能的分析，結合風電機組運行特征以及結構特點，可以將系統分為前端采集設備、數據采集模塊、數據庫服務其以及監控維護集成模塊，其中數據采集通過以太網遠程采集的方式來實現。其中數據的傳輸可以通過有線或者無線的方式來完成，而監控集成模塊與采集模塊與數據庫的連接，可以利用本地連接局域網或者廣域網實現。而監控維護集成模塊與數據庫服務的連接，可以通過數據庫遠程訪問技術來實現，其中一個數據采集端可以與多個采集設備連接，并且將采集設備與數據采集端連接，實現多個客戶端同時訪問數據采集端以及數據庫服務器。

3.2 系統軟件設計

結合風電機組結構運行特征，在建立震動檢測與故障診斷系統時，系統軟件的設計應包括輔助功能模塊、信號預處理模塊、特征提取模塊以及故障診斷模塊等。對于系統軟件的開發，主要是利用面向對象的變成技術，然后結合VC++6.0語言作為開發工具來實現功能，另外還可以選擇MFC單文檔多視圖框架結構來完成界面設計。其中，為提高檢測系統運行的安全性，在進行系統操作時，需要先進入登錄界面，輸入用戶名與密碼，在身份認證后無誤后才可進入系統。系統主界面的設計應包括菜單欄、主功能按鈕、樹狀列表、輔助分析功能按鈕、圖形顯示區等。

第一，輔助功能模塊主要具有用戶管理、數據庫管理以及數據清理等功能，對用戶的管理就是完成用戶信息的注冊與驗證，并為合法用戶分配系統使用權限。數據庫管理主要包括附加數據庫、備份數據庫、分離數據庫以及新建數據庫等功能，將數據庫文件加載到數據庫服務器中，或者是將數據庫服務器中數據移除等。數據清理則是將服務器內不需要的數據及時清理掉，避免數庫過大影響管理效果。

第二，故障診斷模塊主要基于對信號的分析，提取可以表征機器運行狀態的特征參量，對其進行計算確定是否超過用戶設定報警閾值，以此來判斷機組設備運行是否正常。如果判斷機組運行狀態異常，則需要對機組進行進一步的缺陷診斷，分析確定相關頻率的來源。整個處理過程中主要是以風電機組數據的分析研究為基礎，完成機組運行狀態的檢測與故障診斷。

4.結束語

風電機組運行環境相對特殊，因為風速穩定性比較低，對機組設備影響比較大，如果管理不當很容易出現故障。為保證機組的正常運行，需要加強對震動檢測與故障診斷的研究，針對常見的故障進行分析，建立振動檢測與故障診斷的系統，對機組運行狀態進行實時檢測，提高其運行的穩定性。

參考文獻：

[1]謝松汕，許寶杰，吳國新，左云波.基于狀態檢測與故障診斷在風電機組上的應用分析[J].電子測試，2013，08：60-62.

[2]曹斌.風電機組振動檢測與故障診斷系統研究[D].廣東工業大學，2014，32：15-16.