风电机组振动监测和故障诊断

2017-07-12胡玉辉

科学中国人 2017年23期

关键词：齿轮箱发电机组频谱

胡玉辉

国华爱依斯（黄骅）风电有限公司

风电机组振动监测和故障诊断

胡玉辉

国华爱依斯（黄骅）风电有限公司

风电机组往往布置在环境较为恶劣、交通不畅的地方，使机组部件的检修与维护困难较大。振动监测是在主轴、齿轮箱和发电机组等主要部件处，通过传感器布置振动监测点，监控中心根据各个监测点提供的振动信号进行分析，并诊断部件故障情况。这种方法对于风电机组的状态监测与故障诊断有显著的效果。

风电机组；振动监测；故障诊断；振动信号

风电机组往往布置在高山、草原甚至海边等交通不畅的地方，机组运行时会受到恶劣运行环境的影响，风速不稳定导致机组在并网发电时，齿轮箱、轴和轴承等传动部件容易损坏，由于这些地区维修条件较为不利，使风电机组状态监测与故障诊断面临的困难较大。运用振动监测，则可以在风电机组传动部件发生故障之前，根据其运行状态进行预警，使维修计划更为合理、及时，是保障风电机组部件运行稳定性的有效方法。

一、风电机组振动监测系统设计

风电机组振动监测系统主要由振动信号采集系统、风电场集中监测系统、远程诊断中心组成。将各振动监测数据信息经由局域网传输至风场集中监控系统中，再由广域网传输至远程监控诊断系统，远程诊断中心根据数据库信息，对监测数据进行及时分析，预测并诊断机组故障。根据风电机组的结构特点，振动监测点一般布置在机组轴承、齿轮箱、发电机组上。将低频振动传感器安装在主轴与齿轮箱输入轴两处，振动速度传感器安装在行星齿轮外齿圈、齿轮箱输出轴、发电机组前轴与后轴等处，通过这些振动监测点，对风电机组振动状态进行全方位监测。

二、风电机组故障诊断

（一）测取振动信号

测取振动信号的工作主要是测量机组启动加速、并网发电时各个振动监测点及其周围的振动情况。机组在加速过程中，在临界转速区时，观察机组主轴、齿轮箱与发电机组的振动超标情况。当转速达到临界值时，转子的共振振幅就会加大，甚至可能因轴系质量不平衡导致超标，以此共振振幅作为机组振动情况评价的直接依据之一。在高转速区时，风电机组就能够并网发电，观测此时主轴、齿轮箱和发电机的振动频率，并分析其振动是否正常。风电机组在风速过高或过低时，都可能会出现制动停机，需要观测此时的振动情况，分析其是否可能会威胁到机组安全。

（二）分析振动信号

振动信号的分析即针对振动参数变化进行分析，一般是通过波德图、频谱图和趋势图等图谱进行分析。波德图是对风电机组在启动加速过程中主轴、齿轮箱与发电机组振动情况的反映，对于临界转速区的振动情况有更为精确的反映。如，某发电机组主要部件在其主轴承振动裂度位于2.0-3.2mm/s、齿轮振动裂度位于3.5-5.6mm/s、发电机组振动裂度位于6.0-10.0mm/s范围内时，表明其振动良好。该机组启动加速时，发电机组振动加速至1600r/ min，而主轴则加速至22r/min，齿轮箱输入轴振动情况则与主轴基本同轴，根据其固定振动参数分析，则表明加速时，该机组主要部件振动平稳性较好，振动良好。频谱图分析主要是针对齿轮箱输入轴振动情况的分析，而趋势图的分析则主要是针对齿轮箱输出轴振动情况的分析。除图谱分析外，还有时域特征分析，频域分析与包络分析。时域分析能够直接反映风电机组振动状态，在经过硬件滤波后，风电机组的振动信号波形会出现出显著的特征，根据时域波形所传达的信息量，就可以对振动过程中的变化规律进行分析。频谱分析是对于振动信号频域进行分析，有自频谱、倒频谱、幅值谱等不同角度分析方法。包络分析对于轴承振动信号的监测效果较为显著，并且能够用于信号统计中。

（三）故障诊断

风电机组主轴、齿轮箱、发电机组的损坏主要包括齿面磨损和齿轮断裂、轴承磨损与轴承松动等。初期磨损时，其振动情况会直接反映在振动信号中，根据信号频谱能够分析其特征频率，并做出故障诊断；故障逐步发展，会影响到功率传递，加大噪音，油温与轴温逐步升高；故障中后期，由于受损部位已经有了长时间的重新磨合，其振动特征信号会出现下降现象，噪音则升到最大，温度反应较为稳定。由此可见，振动监测对于设备初期故障的诊断与预警有重要作用，根据故障发展程度，采取相应的维修措施。

三、实例分析

某风电场风安装了风电机组振动监测系统，其振动信号数据能够实时传输至远程监控诊断中心。在机组运行过程中，机组低速轴振动监测点出现了异常冲击振动信号，信号具有强烈的周期性，风电场监控系统将数据反馈至监控中心后，维护人员在现场通过实际检查确认了这些振动信号。该振动传感器采样率在46.5kHz，分析与冲击信号时间间隔相同的振动信号后，得出了相应的时域波形图，两者相比，异常振动信号的时域波形图中有强烈的冲击信号，正常振动信号峭度指标是2.62，而异常振动信号峭度指标高达18.05，其异常情况极为显著。再对振动信号作傅里叶转换分析，并绘制两种信号的频谱图，异常振动信号在频谱幅值上出现了整体性的增加，而非某一个频率的幅值突然增加，与轴承缺陷的特征频率不相符，证明该异常情况并非由轴承缺陷引起。维护人员现场勘察，分析轴承结构，并咨询设备厂家后，确定该异常情况的产生原因在于低速轴套皮管出现松动。将异常振动信号与正常振动信号的两种频谱成分绘制为差值谱后，证明了异常信号的频谱成分幅值呈整体的增加现象，验证了监测系统与维护人员分析结果是准确无误的。

该发电机组主轴是采取前后轴承相支撑的结构，齿轮箱则是由2级行星级和1级平等轴组成。在某个运行时刻，齿轮箱后端有一个时长为1s的振动信号，此时，两台机组在振动幅度上仍然较为接近，而2号机组的齿轮箱振动信号的周期性冲击则较为明显，相比1号机组，振动信号有效值仍然维持在0.182m/s2附近，但其峭度指标却突然上升为3.77，显著高于1号机组的3.08，信号中的冲击成分以0.038s为周期，频率则是26.3Hz左右，与齿轮箱输出轴旋转频率相接近，说明2号机组高速齿轮箱出现了故障。