風(fēng)力發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)測(cè)試與診斷分析

宋占勝

摘要：風(fēng)能作為一種清潔能源，發(fā)展迅速。由于風(fēng)電機(jī)組通常在野外，環(huán)境條件惡劣，而且容易發(fā)生故障，因此維護(hù)保養(yǎng)需要耗費(fèi)大量的人力物力。我國在風(fēng)機(jī)故障診斷方面開展了大量的研究，并取得了豐碩的成果。給出了各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法和信息融合診斷技術(shù)。這些研究大多基于數(shù)值計(jì)算和理論分析，并提出了各種控制措施。但由于風(fēng)電機(jī)組的復(fù)雜性和運(yùn)行環(huán)境的多變性，在設(shè)計(jì)之初就要考慮風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)特性，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，以避免出現(xiàn)異常振動(dòng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;異常振動(dòng)測(cè)試;診斷

1研究概況

某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電機(jī)整體通過4個(gè)隔振器彈性安裝在基座上，電機(jī)-隔振器-基座組成的電機(jī)系統(tǒng)與增速齒輪箱所在的塔筒基座通過8個(gè)螺栓縱向連接，該基座下部懸空，以齒輪箱安裝基座面為基準(zhǔn)呈懸臂梁狀態(tài)。箱體上布置三條橫向加強(qiáng)筋，鐵芯與橫向加強(qiáng)筋通過4個(gè)點(diǎn)焊接剛性固定。發(fā)電機(jī)工作方式為水冷，通過左側(cè)面的進(jìn)出水口循環(huán)，水箱安裝在電機(jī)頂部的箱體上。風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍為600rpm～1380rpm，正常并網(wǎng)發(fā)電轉(zhuǎn)速為900rpm～1200rpm。

2振動(dòng)特性

2.1齒輪嚙合頻率

嚙合頻率是兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)節(jié)面角所需時(shí)間的倒數(shù)，可由式（1）確定。

（1）

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速即風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，rpm;z為齒數(shù)。

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱采用1級(jí)行星/2級(jí)平行軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

第一級(jí)為行星輪系，行星齒輪架為輸入端，內(nèi)齒圈固定，太陽齒輪為輸出端。主要參數(shù)有：太陽齒輪齒數(shù)Z2、行星齒輪齒數(shù)Z3、內(nèi)齒圈齒數(shù)Z4。當(dāng)一級(jí)行星輪系傳動(dòng)比為I1，內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速N4=0，太陽齒輪轉(zhuǎn)速N2=I1·n，行星齒輪轉(zhuǎn)速N3=n，即可計(jì)算出太陽輪、行星齒輪和內(nèi)齒圈的嚙合頻率。

以此類推，容易得出中間軸及高速軸齒輪的嚙合頻率計(jì)算方法。

2.2軸承通過頻率

軸承的特征頻率與自身尺寸有關(guān)，計(jì)算公式如下：

內(nèi)圈通過頻率：

外圈通過頻率：

滾動(dòng)體特征頻率：

保持架固有頻率：

由公式及參數(shù)，便可求出理論軸承特征頻率，在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，計(jì)算得出的理論特征頻率與實(shí)際特征頻率極其接近。

3試驗(yàn)臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試

3.1初步敲擊測(cè)試

靜止?fàn)顟B(tài)下，在電機(jī)接線端一側(cè)的平面4個(gè)角點(diǎn)上布置4個(gè)法向加速度測(cè)點(diǎn)，力錘敲擊某角點(diǎn)位置，在10Hz～20Hz范圍內(nèi)，出現(xiàn)2個(gè)峰值位于11.38Hz、17.7Hz。

3.2靜止?fàn)顟B(tài)模態(tài)測(cè)試

靜止?fàn)顟B(tài)下，在電機(jī)上表面、下表面、左側(cè)面、右側(cè)面和電機(jī)軸端，共布置30個(gè)振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)。錘頭敲擊電機(jī)右側(cè)面和上表面，分析電機(jī)各表面模態(tài)和整體模態(tài)結(jié)果。

敲擊結(jié)果峰值頻率為5.72Hz、8.9Hz、11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz。

11.2Hz對(duì)應(yīng)的主振型以軸為主線左右平動(dòng)，15.6Hz對(duì)應(yīng)的主振型為上下表面平動(dòng)，17.7Hz對(duì)應(yīng)的主振型為彎曲、扭轉(zhuǎn)的耦合振動(dòng)。

3.3升速測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)架靜態(tài)敲擊模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行600rpm～1200rpm的升速試驗(yàn)。在11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz頻率附近對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速670rpm、940rpm、1070rpm附近轉(zhuǎn)速以每10rpm為間隔加密測(cè)試，其余轉(zhuǎn)速以每30rpm為間隔測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)臺(tái)架的升速試驗(yàn)過程中，所有測(cè)點(diǎn)振動(dòng)較小，并未發(fā)生異常振動(dòng)。其中，11.2Hz頻率成在升速過程中，只在670rpm有較大峰值，該頻率幅值隨轉(zhuǎn)速升高而下降。17.7Hz的頻率成分在所有轉(zhuǎn)速均有體現(xiàn)，在1060rpm轉(zhuǎn)速處達(dá)到最大峰值。

4風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試

4.1第一風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

4.1.1電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)模態(tài)測(cè)試結(jié)果分析

靜止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)上共布置30個(gè)振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置與試驗(yàn)臺(tái)架模態(tài)測(cè)試相同。力錘橡膠錘頭敲擊電機(jī)左側(cè)面、上表面和前軸承端蓋表面，分析電機(jī)模態(tài)結(jié)果。

電機(jī)敲擊結(jié)果峰值頻率為5.72Hz、11.3Hz、15.6Hz、17.9Hz、53.8Hz。其中11.3Hz、15.6Hz、17.9Hz模態(tài)振型與臺(tái)架相同，53.8Hz對(duì)應(yīng)的主振型為水平方向同步振動(dòng)（左右電機(jī)表面彎曲振動(dòng)）。

4.1.2電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試結(jié)果分析

電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試包括三種狀態(tài)：

（1）電機(jī)空轉(zhuǎn)升速測(cè)試;

（2）電機(jī)加勵(lì)磁不并網(wǎng)測(cè)試;

（3）電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試。選擇電機(jī)左側(cè)面水平向測(cè)點(diǎn)和垂向測(cè)點(diǎn)作為分析的典型代表。現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試表明：電機(jī)空轉(zhuǎn)升速過程中，電機(jī)振動(dòng)狀況良好。兩個(gè)方向的測(cè)點(diǎn)速度振幅隨著轉(zhuǎn)速升高變化而增大，最大振幅都不超過1mm/s。水平向測(cè)點(diǎn)主要頻率成分是1倍軸頻、17.75Hz（不隨轉(zhuǎn)速變化）、53.8Hz（不隨轉(zhuǎn)速變化）等。垂向測(cè)點(diǎn)主要頻率成分是1倍軸頻、17.75Hz（不隨轉(zhuǎn)速變化）、5倍軸頻等。轉(zhuǎn)子加勵(lì)磁后振動(dòng)迅速增大，電機(jī)左右側(cè)面表面振感強(qiáng)烈，并網(wǎng)發(fā)電時(shí)也出現(xiàn)相同癥狀。

4.1.3風(fēng)場(chǎng)測(cè)試初步結(jié)論

通過對(duì)10號(hào)電機(jī)上述三個(gè)不同工況的振動(dòng)測(cè)試分析，可得出如下結(jié)論：

（1）電機(jī)空轉(zhuǎn)升速測(cè)試表明：電機(jī)-隔振器-安裝基座組成的電機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)整體沒有共振發(fā)生;

（2）電機(jī)加勵(lì)磁及并網(wǎng)測(cè)試表明：電機(jī)異常振動(dòng)特征頻率為50Hz。為進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，對(duì)同一風(fēng)場(chǎng)的2號(hào)電機(jī)進(jìn)行了相同工況的振動(dòng)測(cè)試。

4.2第二風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)第一風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，表明異常振動(dòng)特征頻率為50Hz。第二風(fēng)場(chǎng)開展兩方面的驗(yàn)證：

（1）進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)在50Hz附近的模態(tài)振型;

（2）通過對(duì)轉(zhuǎn)子施加不同的勵(lì)磁頻率，測(cè)試不同勵(lì)磁頻率下的電機(jī)響應(yīng)。

4.2.1電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)模態(tài)測(cè)試結(jié)果分析

在第二風(fēng)場(chǎng)主要針對(duì)電機(jī)水平向的模態(tài)振型，在電機(jī)左右側(cè)面的三條水平向加強(qiáng)筋上增加了測(cè)點(diǎn)，并增加了電機(jī)前后軸承的測(cè)點(diǎn)。

4.2.2電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試結(jié)果分析

通過變頻，分別施加32.5Hz和60Hz的勵(lì)磁電流，測(cè)試結(jié)果表明振動(dòng)正常。為施加32.5Hz左右的勵(lì)磁電流（200A增加到270A）時(shí)電機(jī)水平向測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)。可以看出速度頻譜幅值極小，最大不超過0.1mm/s，遠(yuǎn)小于50Hz勵(lì)磁時(shí)的15mm/s的速度振幅。

對(duì)比正常電機(jī)和異常電機(jī)的差異，選擇某正常并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試。最大振幅約為1mm/s，主要為電機(jī)軸頻17.75Hz。

結(jié)論

完成了某型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在試驗(yàn)臺(tái)架、現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和整機(jī)振動(dòng)特性測(cè)試。針對(duì)異常振動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了診斷，提出了改進(jìn)建議，并對(duì)改進(jìn)前后的轉(zhuǎn)子特性進(jìn)行了試驗(yàn)。改進(jìn)后的風(fēng)電機(jī)組均已投入正常使用，表明改進(jìn)建議合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]鞠彬，楊振山，朱述偉.基于振動(dòng)分析技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承故障診斷[J].山東電力技術(shù)，2017，7（44）：65-72.

[2]李學(xué)平，卓沛駿，羅勇水，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動(dòng)不平衡振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究[J].機(jī)電工程，2018，35（9）：944-949.

[3]李岳峰，趙志剛.基于振動(dòng)信號(hào)分析的風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷案例研究[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，13（04）：296-301.

[4]孔德同，賈思遠(yuǎn)，王天品，劉慶超.基于振動(dòng)分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷方法[J].發(fā)電與空調(diào)，2017，38（01）：54-58.