风力发电机组传动链故障分析

褚欣慰、石 扬

风力发电机组传动链的动态性能直接关系到风电机组的寿命与结构安全。近年来，随着风场事故频发，分析机组传动链系统的动态性能，变得越发重要，国内外认证机构对系统传动链的性能研究也越来越深入。本文结合中国船级社质量认证公司开展的有关工作，给出了风机传动链故障分析的通用方案，并对流程中各环节技术点进行了简要的说明。

近年来，随着装机总量的增加，风场不断发生机组事故，表明风电产业已经进入了事故高发期。图1给出了华北电力大学某课题组对1246台在役风机2011 ～2012年间的故障统计情况[1]，从图中可以看出，电气子系统的故障次数较多，但这类故障修复容易，造成的系统停机时间相对较少。而就故障造成的累积停机时间和每次故障的平均维修时间来说，叶片、齿轮箱、发电机等几大关键部件及风机的传动系统的故障，依然是需要关注的重点。

针对这一情况，中国船级社质量认证公司旨在服务业主、整机厂及保险公司，通过多年来的技术储备，并基于对行业的深刻了解，开展了一系列的风场事故分析业务，这其中就包括叶片、齿轮箱、发电机、变频器、塔筒以及法兰等部件的事故调查服务。今年来，该公司更是走在行业前沿，推出了风机传动链故障分析的新业务。

故障分析流程

风机的传动链系统通常是指叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、联轴器、发电机及弹性支撑等部件（本文主要针对双馈机组的传动形式进行说明，对于直驱型风机等其他传动链形式机组，可根据实际情况进行调整）。对于传动链系统，我们通常会关注它的动态特性，具体表现为振动、噪声及共振问题。以这三个故障隐患为对象，本机构建立了一套通用且系统的调查方法，通过数值仿真和现场检测两种手段，诊断故障机理，定位问题元件，从而给出故障发生的原因及维护建议。具体方案流程如图2所示。

数值仿真

数值仿真主要从风机的设计角度入手，借助多体动力学仿真软件，进行传动链的固有特性分析和动态响应分析，从而甄别传动链的共振源，并判断各部件的振动问题及噪声大小。

总的来说，风机传动链故障分析中的数值仿真工作主要包含以下

图1 风电场故障停机数据统计

图2 风机传动链故障分析流程图

步骤：

建立柔性多体系统动力学模型：数值仿真的原理是基于多体动力学，风机传动链是由多个刚体和柔性体组成的系统，称为柔性多体系统，其动力学微分方程为：

分析时，需要将复杂的风机传动系统模型简化成为等效的动力学模型，这首先需要确定传动链系统的动力学拓扑图，再输入各部件的刚度、质量、惯性矩和阻尼值等参数，并通过力元连接各个部件，最终完成系统模型。

频域分析：风机传动链系统的频域分析，是在对系统动力学精确建模的基础上，进行模态计算，从而得到系统的固有频率值及振型，系统固有频率的理论计算公式为：

由于风力发电机组的工作转速范围广，激励频率带较宽，易发生共振，影响系统的正常稳定运行。因此，风机传动链的频域分析的目的就是对潜在的共振点进行筛选。通常这部分工作又顺次分为三步：

1) 分别计算切入、额定、切出状态下的传动链系统模态；

2) 绘制能量分布图，根据风机传动链系统在不同模态频率下的振型及模态能量分布特性，筛选出具有扭转振型且模态能量分布中扭转方向为主方向的固有频率；

3) 绘制坎贝尔图，根据筛选出的固有频率及传动链系统激励频率绘制出工作转速范围内的坎贝尔图，交点即为传动链系统的潜在共振点。

频域分析的目的在于，对照风机传动链系统的模态能量分布和坎贝尔图，以此进行共振点的初步甄别。

时域分析：时域分析是在风机的整个工作转速范围内，对传动链系统进行动态响应计算，得到系统的振动加速度和速度，从而进一步甄别共振点，并对评价系统的振动和噪声问题。通常这部分工作顺次分为五步：

1) 识别传动链系统外部激励和内部激励，使风机在一个驱动力矩的作用下使之速度扫过切入和切出的整个区间，同时此驱动力矩要考虑风载的影响，即风剪切和塔影效应；

2) 扭矩扫频响应分析，得到扭转振动加速度和速度，从而绘制三维坎贝尔图；

3) 定性共振点，为了最终确定频域分析中甄别出的共振点是否存在共振危险，进一步对危险部件的扭转振动加速度进行FFT变换，通过频域和时域的分析综合鉴别，在激励源对应的危险频率处是否有振动突然加剧的情况；

4) 评价振动水平，参照《NB/T 31004-2011 风力发电机组振动状态监测导则》[3]，针对风机传动链系统及各主要部件的振动加速度及速度进行评价；

5) 评价噪声水平，风机传动链系统的主要噪声源为加速度噪声，噪声的理论计算公式为：

将响应计算所得的加速度频域响应曲线进行1/3倍频程处理，即得到各点加速度级结构噪声的1/3倍频程值。

仿真结果分析：通过以上数值仿真工作，对得到的仿真分析结果进行评价，可以揭示风力发电机组的运行状况，判断机组在工作过程中是否存在共振现象，系统是否存在振动过大问题，及是否产生较大噪声，并对现场检测工作提供参考。

现场检测

现场检测工作主要是评价目标风机的健康状况，借助振动测试仪，进行传动链的时域加速度信号采集，从而定位问题的部件。这部分工作可以参照《NB/T 31004-2011 风力发电机组振动状态监测导则》[3]进行。通常包含以下步骤：

1) 确定测试位置，通过数值分析的结果基本可以定位风机传动链系统振动较大的元件，而在故障情况下，也可能由于系统个别元件损坏造成系统振功异常。因此，测试点的布置以齿轮箱为主，同时兼顾传动链其他部件，可选取齿轮箱扭力臂、主轴承座及发电机支撑处；

2) 设置宽带，风机风轮系统的转速较低，频响范围在低频段，而传动链系统的振动频率主要集中在中高频段，且频率范围较广。因此，在测试工作中，需要对测试点的选取情况，参照数值分析的计算结果，设置合理的带宽；

3) 执行测试，测试前需要进行振动基准测试，由于风载的强随机性，风机的运行情况较为复杂，因此，需要进行较长时间的传动链系统检测；

4) 数据分析，振动测试仪通常为加速度传感器，选取风机长时间较为稳定的工况下检测采集的数据进行分析，通过对加速度时域数据进行傅里叶变换等操作，可以得到振动、噪声等参数的水平。再结合数值仿真计算的结果和各元件的固有频率值，即可定位问题元件。

最后，结合数值仿真分析的结果和现场检测的数据，诊断出风机传动链系统的问题部件，并给出造成系统故障的机理解释，从而对风机的维修、检查和维护措施给出建议。