雙饋風力發電機振動超差的原因分析與措施

李攀軍 崔皓 張小芳

摘要：風力發電作為清潔能源，成為我國重點投資的新興能源領域，隨著單機功率的越來越大，為確保機組的正常運行及壽命，需對機組振動情況進行監測。本文主要介紹了某款雙饋風力發電機振動加速度試驗、考核情況，對振動超差的原因進行了分析，并針對性地采取相應措施，從而達到提高產品可靠性的目的。

關鍵字： 雙饋風力發電機 振動加速度 軸向磁拉力

0 引言

針對某款雙饋風力發電機預研機型，作為一項研究性試驗內容，使用在線振動監測設備CMS，對起動—運行—停機階段進行振動監測。根據《GB10068 軸中心高為56mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評估及限值》及《NB/T31004-2011振動狀態監測導則》要求，在發電機傳動端（前端）、非傳動端（后端）垂直、水平、軸向6個方向進行振動加速度監測，起動和停機階段振動加速度≤10m/s2，運行階段振動加速度≤3.6m /s2。

1 引出問題

發電機在空載電動機工況，同步速運行階段，試驗監測前端振動加速度值4～5m/s2（見圖一 前端振動超差）;后端振動加速度超差，同時伴隨吱吱音（見圖二 后端振動超差）。

2 原因分析

2.1軸承預緊力不足，摩擦力過大

2.1.1傾斜驗證試驗

雙饋風力發電機設計，軸承結構前端為固定端，后端為浮動端，由后端彈簧對軸承外滾道施加一個預緊力，從而使得前、后端軸承滾動體在整個滾道運動中，由軸承內、外滾道施加均勻受力。試驗中前端振動加速度值超差，有吱吱因，分析前端軸承預緊力不足，用試驗來驗證。因實際發電機傾斜某個角度安裝（前端高于后端）運行，轉子重力沿軸向分量，相當于對軸承一個額外預緊力，在傾斜平臺進行了試驗，振動加速度試驗值0.9～1.2m/s2，運行階段平穩，無異音。

2.1.2 水平、傾斜試驗對比

對水平放置試驗合格的做傾斜試驗對比。起動—運行—降速階段整個過程前端振動加速度值符合要求，無異響。后端從起動到運行階段的前15分鐘振動加速度值超，波形圖雜亂，運行約15分鐘后后端振動值符合要求，無異響。原因分析在電機由水平狀態進入傾斜安裝時，電機運轉過程中軸承系統從一種平衡狀態進入到另一種平衡狀態，這個過程需要時間，最后達到力的平衡。

2.1.3 增大彈簧預緊力驗證試驗

水平放置試驗不合格，前端振動值超差，后端彈簧間接提供前端軸承預緊力不足，在電機后內軸承蓋內增加約800N力（彈簧的剛度系數x彈簧個數x壓縮量，1.49%額定動載荷）進行試驗，試驗結果一臺試驗全程監測數據合格，無異響;一臺試驗前端運行階段振動加速度值超，實測值7～8m/s?，無吱吱聲。

分析認為：考慮轉子重量，軸承與軸承室摩擦因數取0.25，計算摩擦力9400N，單邊約4700N，從現場測量的數據計算彈簧預緊力為4735N（約1.27%額定動載荷），彈簧預緊力只比摩擦力略大，增大后端彈簧預緊力，增加800N為5585N（約1.49%額定動載荷），此時作用于前端軸承，由于軸承軸向游隙為0.96將使彈簧預緊力在現有的基礎上逐漸減小，始終無法對前端軸承達到理想狀態，表現為前端有異響，振動加速度值超差。進一步加大軸承后端的彈簧預緊力會超過1.55%的推薦值，再用試驗來驗證。在后端增加彈簧超過推薦值，前端合格，但后端振動加速度值超，有異響。

結論：彈簧預緊力可適當增加，只是其中的一種原因。

2.2 磁拉力軸向分量原因

2.2.1定、轉子通風道對齊情況驗證

對上面兩臺電機解體，測量后端軸承室與軸承端面的間隙，測量結果兩臺間隙數值相差0.2內，證明兩臺電機的加工、裝配誤差不大，軸承預緊力基本一致。觀測定、轉子每檔徑向通風道對齊情況，有差異：從定子鐵心上方某一位置透過通風道進行每檔觀測，試驗合格的那臺前7檔基本對齊，后9檔轉子相對定子鐵心每檔向前偏約1.5mm;另一臺轉子鐵心相對定子鐵心每檔向后偏約1～1.5mm。

分析認為：轉子鐵心相對定子鐵心向前偏、向后偏導致電機運轉中磁拉力沿軸向方向的分力方向不同，進而影響前后端軸承滾動體的受力狀態。定、轉子通風道對齊情況由鐵心疊壓尺寸控制及定、轉子中心公差帶偏差引起。

轉子鐵心相對定子鐵心向后偏，由于磁拉力的軸向分量向前，不但對前端軸承不利，亦對后端軸承產生過大的預緊力，通過試驗驗證結果為前、后端振動加速度值均超，有吱吱聲。

轉子鐵心相對定子鐵心向前偏，由于磁拉力的軸向分量向后，對前端軸承有利，同時適當增大后端彈簧預緊力，大于轉子軸承室的摩擦力，可達到理想狀態，通過試驗也驗證了這點。

結論：定、轉子鐵心通風道對不齊，且轉子相對定子偏的方向不一致是一種原因。

2.2.2 偏移量驗證

計算轉子相對定子的偏移量有多大，是否影響通風散熱，增加電機的溫升，并通過試驗來驗證。

電磁力的軸向分量至少應大于前面計算的摩擦力4700N，上限不能超過1.55%的額定動載荷，即應該在4705N～5925N之間，采用磁拉力的計算方法在軸向分量得到轉子向前偏移1.8～2.3mm，軸向分量為4705N～5925N，這是理想情況每檔均向前偏移1.8～2.3mm，實際現場每檔情況不盡相同，需通過試驗來驗證。分別按照三種方案進行驗證：從定子鐵心上方某一位置觀察通風道對齊情況一號方案為基本對齊;二號方案轉子向前累積偏移約16mm;三號方案轉子向前累積偏移28mm。試驗結果為一號方案基本對齊的前端三個方向振動加速度超，有吱吱音;二號方案前端無吱吱音，聲音均勻，三個方向垂直、水平方向合格，但是軸向方向不穩定，從波形看周期性的高點超過標準值（也有其他兩個方向某個方向超差的情況）;三號方案前、后端振動加速度值符合要求，無異響，聲音均勻。

試驗結果驗證了分析，對于第二種方案分析認為單檔平均偏移0.5～1mm，定、轉子鐵心疊壓時，由于沖片毛刺不均勻或加壓不均勻造成鐵心圓周不等高（從圓周鐵長測量數據說明），在電機運行時軸向分量的磁拉力方向不穩定造成。從電機溫升試驗對比情況看，溫升無明顯差異。

2.3 諧波振動

結合頻譜分析來看，即使振動加速度試驗合格的電機，亦存在二階諧波頻率附近，有明顯振動高點值存在。

3 措施

3.1 適當增加彈簧預緊力，減小摩擦力

在現有彈簧規格不變的情況下，后內軸承蓋增加約800N的彈簧預緊力，總預緊力增加到額定動載荷的1.49%。

提高后軸承室粗糙度等級，由現在精車加工改為精磨加工，粗糙度等級提高到0.8，減小摩擦力。

3.2 鐵心中心公差帶調整及疊壓尺寸控制

對配件尺寸及加工基準進行調整，將裝配后的尺寸鏈轉子鐵心向后偏移極限偏差調整到0.85。機座熱套位以傳動端止口作為加工基準，定子鐵心熱套位以鐵心檔作為加工基準，對轉子鐵心疊壓尺寸進行調整，裝配后的轉子相對定子向前偏1.65～2.79之間。

加強定、轉子鐵心疊壓尺寸控制及沖片毛刺圓周均勻性檢測要求。鐵心疊壓過程中，現場須制定每檔累積尺寸控制表格，公差控制在±0.5，單檔疊片時須對前面幾檔的累積誤差作出調整，最后一檔作為鐵心總長尺寸的調整，測量疊片過程中累積尺寸與成品尺寸之間的數據差異，總結經驗達到最佳值。對沖片毛刺均勻性作出要求，現有毛刺要求不超過4s，應明確圓周分布幾個點、對齒部、扼部分別檢測，最大、最小毛刺要求不超過2s。

3.3 改進試驗

3.3.1 定子斜槽試驗

為降低高階電磁諧波對振動造成的影響，保證定、轉子通風散熱，在定、轉子通風道對齊的情況下，定子采用斜槽，同樣轉子受到的電磁力在軸向有個分量，利用這個分量，對前端軸承施加一個預緊力。

3.3.2 彈簧試驗

現有彈簧計算下來的預緊力，一是預留壓縮量過小，二是剛度系數過大，當轉子鐵心相對定子鐵心向后偏時，自適應平衡能力差，應選擇預留壓縮量大，剛度系數小，總預緊力不變的彈簧進行試驗。

4 結束語

針對雙饋風力發電機單機功率越來越大，通過試驗驗證了適當增大后端彈簧預緊力并減小軸承室摩擦力是有效的，同時在未進行斜槽研究、彈簧試驗前，采取定、轉子通風道錯位方向一致性亦是有效的，對減小雙饋風力發電機振動加速度設計具有參考意義。

參考文獻

[1] 宋亦旭.《風力發電機的原理與控制》機械工業出版社。

[2] 鄧愛華.《淺析降低電機振動和噪音的措施》，中國科技縱橫2012（7）：94。