风电机组偏航系统振动噪声特性分析

韩德海，阳凌霄，赵萍，史天宝，李中林

（南车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部，湖南 株洲 412001）

风电机组偏航系统振动噪声特性分析

韩德海，阳凌霄，赵萍，史天宝，李中林

（南车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部，湖南 株洲 412001）

风电机组偏航系统普遍设置有摩擦制动机构，低速摩擦自激振动现象多发。本文通过对实验室和风电场的风电机组出现的偏航振动噪声进行测试和分析，指出了振动加速度和噪声频谱上的倍频特征是偏航振动的典型特性，并可以依据噪声的频谱特征对此类故障进行诊断。

风电机组；偏航；振动；噪声；频谱；摩擦学

0 引言

大型风电机组均采用主动偏航系统，并普遍设置有摩擦制动机构，由于偏航动作具有低速、重载的特点，低速摩擦自激振动现象多发，导致偏航运动均匀性差、精度降低，而且容易产生冲击，产生额外的疲劳载荷[1]。J. Behrendt等指出，偏航振动噪声的stick－slip现象是由于微观的slip－pulse现象与宏观的结构振动彼此激励的综合表现，无法仅从宏观结构特性来预测[2]。廖明夫、加成双等指出润滑不良、装配误差、结构缺陷等会影响扭矩传递的平稳性，摩擦副会形成振源，当其自激振动频率接近塔架的典型固有频率时，会引起塔架的扭转振动失稳[3-4]。

微观摩擦学的研究需要深入的研究探索，宏观层面对偏航振动噪声的动力学特性也需要做定量研究。本文对实验室和风电场机组出现的偏航振动噪声进行了测试和分析，指出了典型偏航振动噪声的时域和频域特征，给出了偏航振动噪声的辨识方法。

1 偏航系统的典型结构

两种典型的偏航系统结构如图1和图2所示。

两种偏航系统的特征对比如表1所示。

可见两种偏航系统中都存在偏航摩擦片与偏航齿圈（或偏航制动盘）的摩擦制动机构。摩擦副对于摩擦片性能、表面粗糙度、装配间隙、油污等有一定的敏感性，当这些条件有变动时，往往造成摩擦性能的不稳定，表现为振动噪声现象[5]。

2 偏航系统的振动噪声

使用振动测试仪和录音设备，对风场和实验室出现的偏航振动噪声进行测试，并对记录的振动加速度和音频信号进行时频分析，可以发现明显的特征。

2.1 滑动轴承式偏航系统的振动噪声特性

2.1.1 实验室滑动轴承式偏航系统振动噪声特性

在实验室对发生偏航振动噪声情况的风电机组一进行振动加速度测试，测得横向吊杆在圆周切向的加速度时域信号如图3所示（纵轴单位为g）。

图1 偏航系统型式一（滑动轴承+碟簧阻尼）

图2 偏航系统型式二（滚动轴承+液压制动）

与振动加速度时域信号相对应，在实验室测试时能够明显分辨出，在5s－50s和50s－120s范围内，偏航动作伴随有两种不同大小和特征的噪声。取局部时域波形查看，在前半段，振动加速度有明显的周期性，峰值普遍超过0.5g，如图4所示；在后半段，振动加速度也有明显的周期性，峰值普遍超过0.1g，如图5所示。

图3 风电机组一偏航振动加速度时域波形

图4 风电机组一偏航振动加速度时域波形（15s-16s）

表1 两种偏航系统的对比

取前半段振动加速度信号进行频谱分析，可见明显的倍频特征，并在1倍频（15.3Hz）和5倍频（76.5Hz）处有最高幅值，如图6所示。

取后半段振动加速度信号进行频谱分析，在500Hz以下频段可见明显的倍频特征，并在1倍频（66Hz）及其2、3、4、5倍频处有较高幅值；同时，在362Hz、483Hz、708Hz和757Hz处可见较高幅值，如图7所示。

2.1.2 实验室滑动轴承式偏航系统无噪声时的振动特性

在相同环境条件下，对未发生偏航振动噪声的风电机组二进行加速度测试，测得横向吊杆在圆周切向的加速度时域信号如图8、图9所示（纵轴单位为g）。可见振动加速度峰值幅值普遍小于0.15g，周期性不明显。

对加速度信号进行频谱分析，没有倍频特征，在363Hz、483Hz、532Hz、708和757Hz处可见较高幅值，如图10所示。结合图7结果，可见363Hz、483Hz、 532Hz、708Hz和757Hz等为偏航系统的固有频率。

图5 风电机组一偏航振动加速度时域波形（70s-70.2s）

图6 风电机组一偏航振动加速度频谱（12s-37s）

图7 风电机组一偏航振动加速度频谱（62s-112s）

图8 风电机组二偏航振动加速度时域波形

图9 机组二偏航振动加速度时域波形（120s-120.2s）

图10 风电机组二偏航振动加速度频谱

由图3－图10可见，偏航系统低速摩擦自激振动的典型特征为——

（1）周期性振动；

（2）加速度峰值幅值大于0.1g，有可能超过0.5g；

（3）频谱中表现为明显的倍频特征。

2.1.3 偏航振动与噪声的测试方法分析

在实验室对发生偏航振动噪声情况的风电机组三进行加速度测试的同时，对噪声进行录音，将音频信号进行时域（如图11所示）以及频域分析（如图13所示），与横向吊杆切向振动加速度的时域波形（如图12所示）和频谱（如图14所示）进行比对分析。可见使用两种测试方法得到的时域波形有很好的时间对应性。而在频谱方面——

（1）噪声频谱也反映出了明显的倍频特征，且基频相同（61.4Hz）；

（2）噪声频谱中同样能反映出偏航系统的固有频率特征（532Hz、707Hz）。

图11 风电机组三偏航噪声时域图

图12 风电机组三偏航振动加速度时域波形

图13 风电机组三偏航噪声频谱

图14 风电机组三偏航振动加速度频谱

图15 风电机组四偏航噪声频谱（有振动）

图16 风电机组四偏航噪声频谱（改善后）

由此可见，在没有振动测试仪的情况下，可以简单地对噪声进行录音，通过录音信号的频谱，基本可以辨识出偏航系统低速摩擦自激振动的故障现象。

2.1.4 风电场滑动轴承式偏航系统噪声案例分析

某风电场风电机组四发现偏航振动噪声情况后，对噪声进行了录音，频谱（如图15所示）中可见典型倍频特征（基频为35.95Hz），判断为典型的低速摩擦自激振动故障。经现场调整后，偏航振动噪声情况明显好转，再次对偏航声音进行录音，频谱（如图16所示）中未见倍频特征，仅表现为偏航系统的固有频率（357.8Hz、476.9Hz、524.6Hz、700.3Hz），且噪声幅值有显著降低，故障解除。

2.2 滚动轴承式偏航系统的振动噪声特性

在特定情况下，滚动轴承式偏航系统也可能发生低速摩擦自激振动现象。

2.2.1 风电场滚动轴承式偏航系统噪声案例分析

某风电场采用滚动轴承式偏航系统的机组五发现较大的偏航振动噪声情况，对噪声录音进行频谱分析（如图17所示），可见明显的倍频特征（基频为52Hz）。经现场排查，发现液压制动器的摩擦片被油脂污染，遂进行了摩擦片的更换和制动盘清洗。整改完成后重新对偏航声音进行频谱分析（如图18所示），未见倍频特征，仅表现为偏航系统的固有频率（248.2Hz、330.5Hz、484.8Hz、677.5Hz、980.8Hz），且噪声幅值有显著降低，故障解除。

2.2.2 非典型偏航噪声案例分析

某风电场采用滚动轴承式偏航系统的风电机组六发现较大的偏航振动噪声情况，听取噪声录音，主观感觉比较杂乱，有低频的“吱嘎嘎”和高频的刺耳声，不同于前述由摩擦制动引发的自激振动噪声。查看录音频谱（如图19所示），频率成分比较杂乱，无明显倍频特征。因此，初步判断振动噪声原因不是摩擦制动因素。经现场排查，发现偏航驱动与偏航轴承齿圈啮合处为干摩擦，缺乏润滑，遂按操作规程执行了润滑脂涂抹，然后发现偏航振动噪声消失。

作为侧面佐证，此案例可说明通过噪声频谱的倍频特征判别偏航摩擦自激振动这一方法的有效性。

图17 风电机组五偏航噪声频谱（摩擦片有油污）

图18 风电机组五偏航噪声频谱（更换摩擦片后）

图19 风电机组六偏航噪声频谱（欠润滑）

3 结论

（1）滑动轴承式和滚动轴承式偏航系统都可能出现摩擦自激振动现象；

（2）偏航系统低速摩擦自激振动的典型特征为，振动加速度和噪声频谱上表现为倍频现象；

（3）通过录音信号的频谱，基本可以辨识出偏航系统低速摩擦自激振动的故障现象。

[1]李晓光, 赵萍. 兆瓦级风机偏航系统低速抖动运动学特性[J]. 中南大学学报（自然科学版）, 2013(1):89-94.

[2]J. Behrendt, C. Weiss, N. P. Hoffmann. A Numerical Study on Stick-slip Motion of a Brake Pad in Steady Sliding[J]. Journal of Sound and Vibration, 2011, 33: 636-651.

[3]廖明夫, 黄巍, 董礼, 袁凯峰, 孙鹏. 风力机偏航引起的失稳振动[J].太阳能学报, 2009(4):488-492.

[4]加成双. 风力发电机组偏航振动的研究[D]. 吉林: 吉林大学, 2011.

[5]陈波,何明.兆瓦级风电机组偏航系统异响原因分析和改进[J].风能, 2012(11):88-91.

Analysis of Features of Wind Turbine Yaw Vibration and Noise

Han Dehai, Yang Lingxiao, Zhao Ping, Shi Tianbao, Li Zhonglin
(CSR Zhuzhou Institute Co.,Ltd.,Wind Power Business Unit, Zhuzhou, Hunan412001, China)

Low speed self-excited vibration of wind turbine yaw system oThen happens, due to friction brake mechanism. Yaw vibration and noise of wind turbines from laboratory and wind farms are tested and analyzed in this paper, indicating that harmonic frequency is a distinction of the frequency spectrum. Faults can be diagnosed by spectral characteristics of the noise.

wind turbine; yaw; vibration; noise; frequency; tribology

TK83

A

1674-9219(2013)12-0082-05

2013-11-14。

韩德海（1983-），男，硕士，机械工程师，长期从事风电机组设计开发工作。