风力发电机故障问题及振动采集

陈大明 梁翠绵

摘要：风力发电机组在工作时出于各种因素，机舱内的很多部位会出现震动的情况，这种震动如果频率和幅度达到一定条件时，就会影响风电机组的正常工作，严重时甚至會使发电机组彻底损坏，所以，发电机的震动监测管理系统是非常必要的。监测控制系统能够实时检测出发电机内的震动情况，并将信息上传到相关的安全检测模块中，如果此时的震动值已经超过了报警的阀值，安全检测模块就会发送命令，切断风电机组的安全链，使之能够停止运行，以避免继续震动而使风电机组受到损伤，达到保护机组的目的。

关键词：风力发电机;故障;振动采集

1风力发电机故障振动

风电机组最常见的故障主要集中在机舱的机械部分。尽管低速轴和中速轴、齿轮箱、高速轴和风力涡轮机偏航系统经常出现故障，但这些故障的根本原因在于轴和齿轮等部件的问题。

1.1滚动轴承

滚动轴承是现代机器中最常见的部件之一。同时，它也起着非常重要的作用。在传动过程中主要起到固定和降低载荷摩擦系数的作用。轴承通常由四部分组成：滚动体、保持架、外圈和内圈。这些组成部分起着非常重要的作用。任何部件故障都会导致滚动故障。轴承主要会出现磨损、拼贴、腐蚀、疲劳和断裂。滚动元件在内圈和外圈之间自由滚动。尽管由于实际生产中的误差，滚动体的表面是光滑的，但滚动体不是标准球体。因此，滚动体通常伴随着交变激振力，其中特征滚动频率在频谱中占有很大的分量。工作期间，轴承损坏点会不断冲击与其接触的零件，导致冲击振动。该频率是轴承部件发生故障的频率。因此，检查轴承故障时的关键点之一是找出故障引起的周期性冲击的特征频率。

1.2齿轮

齿轮是一种机械元件，利用齿的啮合传递扭矩。通过齿轮之间的合作，可以实现改变扭矩、旋转、运动形式和方向的目的。因此，齿轮传动的方法具有相当高的传动效率，传动比也非常精确。同时，它还可以应用于不同的功率，因此该设备作为一种机械部件，得到了广泛的应用。齿轮的失效不仅受设计、制造、装配等因素的影响，还受其运行过程中的热处理和润滑等因素的影响。正常情况下，设备运行一段时间后会产生一些缺陷。在实际维修过程中，一些微小的缺陷是很难被发现的，但这些缺陷可以通过分析振动信号得到。齿轮传动和故障会引起一些特征振动，它们的组合会导致振幅调制和频率调制。振幅的调制是指齿的表面载体对振幅的影响。频率调制是指在某一频率附近横向频率的影响。通常，频率调制和振幅调制同时发生。

1.3其他问题

机械部件上有几个缺陷，以上总结了主要部件的一些常见故障。同时，其他缺陷也值得我们研究和分析。连接松动也不时发生，这将降低零件连接的刚度。其振动特点是：重心和轴线轨迹不稳定，频谱中存在高阶重复频率分量，且在冲击波中振幅较大。因此，当高次谐波振动的振幅超过转子旋转频率振幅的一半时，我们有理由认为存在连接松动故障。

2风力发电机振动采集分析与监控系统

风力发电机振动采集分析与监控系统，主要是三大模块，包括振动感应器、安全检测以及上位机分析系统。而根据风机振动的特性，既要遵循实用性，也要寻找最优预测系统配置的原则考虑，本系选择近年来快速发展的MEMS（微电子机械系统）加速度计，作为振动信息测量的感应器。这种感应器具备低成本、低功耗、功能完善、中低频特性良好等优点，并能够检测动静加速度，连通带也可以调整，使用起来并不复杂，而且对风机振动测量的精度也符合现阶段的要求。此外，监控系统可以把用于监控的在线监测数据和用于分析的离线分析统计信息数据分开记录，传输至不同的模块内，从而使系统的效率更高，在保证数据分析完整性的同时，也能对设施总体执行状况进行全面的分析，同时也实现了监控数据分析的即时性，从而提高管理的准确性，也能降低漏报概率以及提高监测的有效性，从整体上提高了监测分析设备的技术水平。

2.1振动传感器模块运行分析

振动感应器模组，是由加速度信号的采集电路所构成，而为让模块能够更为灵敏，通常都会使用三轴加速度传感器、单片机控制器，或是通信集成电路。其中，前三轴加速度传感器的最大量程可选择±2g和±6g。而加速度传感器，最大采样频率是一百六十赫兹，需要设定的配置寄存器进行调整。此外，上位机在校准传感器模块时，需要首先将校准信息传输至单片或微型计算机中，然后再由单片或微型的计算机系统将数据存放在存储芯片中，并将这些数据分派给传感器以及相应的辅助寄存器。单片机在上电时，将先读取存储在芯片中的校正数据，接着再将这些数据下载到位于传感器内的辅助寄存器中。而单片机控制器也将在接受时到路由传感器内部所形成的中断脉冲后，立即用SPI通信接口读取加速度值，并将X、Y、Z轴上的数据经由通信口传给安全检测模块。传感器模块和监控模块之间的通信协议中增加了校验字节，以避免在通信过程中因为线路干扰而产生的错误数据，导致系统误报。

2.2安全监控模块运行分析

安全监控模块系统实时收到传感器数据模块系统所上传的数据信息后，对各个轴承的震动统计进行实时数据分析，得到了预定周期的各轴承的峰值，并进行了矢量叠加计算后和预先设置的安全门限值作对比，一旦持续高于门限值且持续时间大于两秒钟后，可由控制继电器使风力发电机突然刹车并停止工作，进入设备故障保护状态。在振动检测数据恢复后，监测机构才准许风机继续工作。监控模组则具有记录设备发生故障事件的功能，将故障数据存储到大容量的存储芯片中，以方便于上位机读取。在该功能模块的主控CPU在接收到上位机命令时，并需要对命令进行分析，以便判断上位机命令的实际运行任务，在这里还包含了如下命令：对校准设备的参量指令：在出厂前，对传感器，以进行零点和增益的校正;对基本参数读取命令：读取当前监控模组的设置参数;故障历史数据读出命令：读取机组的历史故障数至上位机;门限设定命令：设定高振动的综合报警门限;正常传输震动数据包指令：发送经感应器检测的震动数据包至上位机，进行时间、频域解析。

2.3上位机配置分析软件

该部分的软件系统功用主要是对监测系统模块和传感器进行初始化时间设定，并对监测数据进行了时间区域和频率区域的分类与存储。时域映射信息分析：通过计算并指示出现场测量点的三轴、两轴和单轴上的波浪状、辐值等，并设定了数据记录门限，在测量数据超过该门限时后自动保存为故障数据。为了更准确地结合风机中振荡信号的低频段分量特性，该分析软件系统采用了软件滤波方式，进而得到了在目标频率内的全时域分析信息波形。高频区域信息分析：通过对观测信息数据中的目标在高频范围内作FFT频率上的分解，获得频率图，有助于观测目标频率内的振荡特征。根据测试结果显示，如果振动信号的强度二赫兹或者在CPU的倍频左右，则风力发电机组能够正常进行作业。因此，对监控模块进行设置时，可以将总带宽设置在一点五赫兹与三赫兹之间，这样，对风力发电机组中各轴流式的振动峰值是否在安全区域的检测更加准确，避免了出现高频率的干扰信号时，系统误报的情况。

3结语

综上所述，本文分析了当前阶段风力发电机的振动问题，并针对风力发电机振动采集分析与监控系统的震动传感器模块和监控模块进行了分析和研究，使系统能够完成对风力发电机振动信号采集分析与监控系统的基本功能，希望能为相关工作人员提供些许便利。

参考文献：

[1]基于STM32的振动信号采集系统研究与实现[D].韩玉斌.东北石油大学2020

[2]浅析风力发电机组振动状态监测与故障诊断[J].魏协奔，卢旭锦，孙培明，李童彬.中国设备工程.2021（15）