李岳峰，趙志剛

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

基于振動(dòng)信號(hào)分析的風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷案例研究

李岳峰a，趙志剛b

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)故障問(wèn)題，介紹了SKF WindCon在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能及組件方案，利用該系統(tǒng)對(duì)真實(shí)的故障案例進(jìn)行異常頻譜圖分析，對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行了精確的診斷，為進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的預(yù)警與診斷功能提供了更為真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)與操作方案。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)；振動(dòng)；傳動(dòng)系統(tǒng)；故障診斷

1 研究背景

隨著世界化石能源的日益短缺和環(huán)境污染的加劇，風(fēng)能已成為全世界能源行業(yè)所關(guān)注的焦點(diǎn)。而風(fēng)電機(jī)組故障成為了不可忽視的話題，故障導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失逐年增加，風(fēng)電機(jī)組的故障診斷技術(shù)已受到極大的重視。由于風(fēng)機(jī)大多安裝在山峰、荒野、海灘、島嶼等偏僻地區(qū)，其塔架高度距離地面很高，且長(zhǎng)時(shí)間工作在風(fēng)力資源紊流區(qū)，承受著交變負(fù)荷、大溫差、低氣壓等惡劣環(huán)境，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作壽命受到極大的影響[1-2]。尤其是風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)，在交變負(fù)荷的作用下容易引發(fā)故障，造成機(jī)組停機(jī)。在維修過(guò)程中通常需要起重機(jī)和升降機(jī)，使得維修費(fèi)用高昂，并且長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)嚴(yán)重影響發(fā)電量，帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。因此，近些年來(lái)關(guān)于風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)愈發(fā)引起行業(yè)內(nèi)的關(guān)注，已經(jīng)有越來(lái)越多專利技術(shù)、硬件設(shè)備以及診斷算法應(yīng)用到了風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)中[5-6]。

目前，風(fēng)電機(jī)組一般帶有 SCADA(即監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)獲取)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提高風(fēng)電機(jī)組整體運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，為風(fēng)場(chǎng)工作人員提供了一些風(fēng)機(jī)運(yùn)行的基本參數(shù)[7]。但是SCADA系統(tǒng)能夠執(zhí)行的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量并不對(duì)，尤其缺乏對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷的數(shù)據(jù)。對(duì)于風(fēng)機(jī)這樣的旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)是最直接有效的監(jiān)測(cè)方式。在這個(gè)背景下，以振動(dòng)信號(hào)分析為主的風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)已開始被研發(fā)。

2 風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

2.1 WindCon系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前，SKF公司所開發(fā)的WindCon系統(tǒng)在風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面有著比較大的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)各部件運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，具有振動(dòng)數(shù)據(jù)分析、圖譜繪制、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、故障預(yù)警(報(bào)警)等全方位分析功能，其操作界面如下圖1所示。

圖1 @ptitude Observer主界面

該系統(tǒng)可以對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，使工作人員可以有效地發(fā)現(xiàn)和防止二次故障及惡性事故，從而預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)間，進(jìn)而延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和維修間隔。

另外，該系統(tǒng)通信的可選擇性幾乎是無(wú)限制的，標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP接口允許通過(guò)TP電纜、光纖、銅導(dǎo)線雙鉛、GPRS、無(wú)線局域網(wǎng)和ISDN等方式輕松獲取通訊連接。網(wǎng)絡(luò)不僅可以在IMx單元與智能監(jiān)控器之間進(jìn)行連接，也可以在智能監(jiān)控器與智能監(jiān)控客戶端之間進(jìn)行連接，通訊方式如圖2所示。

風(fēng)場(chǎng)所安裝的SKF IMx-W單元通過(guò)以太網(wǎng)方式與InRouter連接，其中心端配置具有VPN功能的寬帶路由器(CISCO)，下端InRouter無(wú)線路由器與中心端VPN路由器建立IPSec VPN連接，中控室的工作人員既可以遠(yuǎn)程對(duì)下端設(shè)備進(jìn)行編程及維護(hù)，又可以通過(guò)SKF的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)下端IMx-W單元進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等。該系統(tǒng)可在任何地方對(duì)設(shè)備進(jìn)行全天候的監(jiān)測(cè)，可以為工作人員進(jìn)行主動(dòng)性維修提供必要的數(shù)據(jù)依據(jù)。出差在外的工程師還可以通過(guò)遠(yuǎn)程VPN撥號(hào)連接到中控室，隨時(shí)對(duì)下端設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和獲取需要的數(shù)據(jù)信息等，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及維護(hù)。

圖2 WindCon系統(tǒng)通訊方式

2.2 SKF在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

2.2.1 方案組件一：IMx-W

IMx-W單元是利用現(xiàn)代工業(yè)計(jì)算機(jī)并專門為振動(dòng)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)所設(shè)計(jì)出的電子元件。該裝置具有高度的環(huán)境適應(yīng)性，特別適用于可能損壞的機(jī)器以及難以進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)的設(shè)備。每個(gè)IMx-W單元擁有多達(dá)16個(gè)模擬通道和2個(gè)數(shù)字傳感器，其數(shù)字接口可以與所有的標(biāo)準(zhǔn)類型數(shù)字輸入接口相匹配，包括+5～24 V的觸發(fā)電平。

IMx-W單元還配置一種特有功能，就是在硬件中內(nèi)置了自動(dòng)診斷系統(tǒng)，可以持續(xù)檢查所有傳感器，電纜和電氣錯(cuò)誤、信號(hào)中斷、短路或者電源失效以及其他故障會(huì)觸發(fā)警報(bào)。

2.2.2 方案組件二：分析軟件SKF @ptitude Observer

SKF @ptitude Observer軟件用于風(fēng)力發(fā)電在線測(cè)量系統(tǒng)WindCon3.0數(shù)據(jù)分析、瀏覽與管理。它依靠自身專家?guī)鞌?shù)據(jù)，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出專家評(píng)估結(jié)論。它的狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析功能基于Microsoft Windows(r)操作平臺(tái)，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和分析功能，用戶友好的操作界面和智能診斷功能得到了國(guó)際上的廣泛認(rèn)可。

該軟件作為WindCon3.0系統(tǒng)的后臺(tái)客戶端，可以使用戶獲得實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及不同顯示格式下的長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)，極大地方便了用戶的數(shù)據(jù)對(duì)比和分析工作。除此之外，用戶可以利用圖形工具定義所有的機(jī)械數(shù)據(jù)，用于設(shè)備診斷時(shí)故障頻率的自動(dòng)計(jì)算。通過(guò)拖放機(jī)器部件工具箱圖形建立完整的傳動(dòng)鏈，使得用戶可以自建所需的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。對(duì)于常見故障，如軸承不平衡、不對(duì)中、齒輪嚙合故障、汽蝕等的標(biāo)準(zhǔn)診斷法則，用戶能夠很容易地設(shè)計(jì)自定義診斷法則來(lái)加強(qiáng)診斷的精確性及適應(yīng)性。

2.2.3 方案組件三：振動(dòng)加速度傳感器

主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以通過(guò)振動(dòng)加速度傳感器來(lái)完成。SKF的傳感器具有小尺寸的不銹鋼外殼、內(nèi)置的側(cè)端出線電纜，可以適應(yīng)各種惡劣的工況和狹小的空間。全封閉的結(jié)構(gòu)讓它能夠工作在潮濕和腐蝕的環(huán)境中。傳感器的電纜往往采用雙層屏蔽式，具有優(yōu)良的抗磨損型。

2.2.4 安裝方案

對(duì)于加速度傳感器的安裝，可供參考的具體方案如表1所示。

表1 測(cè)量點(diǎn)安裝位置及傳感器類型

實(shí)際工程項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖如圖3和圖4所示。在安裝過(guò)程中要注意IMx-W智能監(jiān)測(cè)單元需壁掛式安裝，且應(yīng)留有相對(duì)充足的接線余地。同時(shí)，需注意IMx-W智能監(jiān)測(cè)單元的防護(hù)等級(jí)是IP65(即防塵等級(jí)為完全防止粉塵進(jìn)入，防水等級(jí)為任何角度低壓噴射無(wú)影響)，要綜合考慮實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)四季氣候濕度的變化，必要時(shí)需合理增設(shè)排風(fēng)除濕設(shè)備，避免電器的絕緣強(qiáng)度降低及金屬部件遭受腐蝕。

圖3 IMx-W智能監(jiān)測(cè)單元壁掛式安裝

圖4 螺栓安裝

3 故障實(shí)例分析

利用WindCon3.0系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)際案例分析典型風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)常見振動(dòng)故障，其中包括齒輪箱、軸承、齒輪、低速軸、高速軸等關(guān)鍵部件的主要故障。該系統(tǒng)的振動(dòng)分析過(guò)程如圖5所示。

3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)典型故障實(shí)例一：齒輪松動(dòng)

目前，檢測(cè)齒輪松動(dòng)最可靠的技術(shù)就是振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)。當(dāng)齒輪由于老化退化、齒輪面磨損脫落以及齒尖腐蝕等問(wèn)題，而導(dǎo)致齒輪間嚙合不嚴(yán)密時(shí)，必將導(dǎo)致一系列不規(guī)則振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，利用事先安裝的加速度傳感器，可以輕松地收集到異常振動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖5 WindCon振動(dòng)分析過(guò)程

在對(duì)一臺(tái)1 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行日常檢查時(shí)，客戶在中空軸上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)松動(dòng)的齒輪。為了監(jiān)測(cè)這個(gè)問(wèn)題，WindCon系統(tǒng)的振動(dòng)加速度傳感器被放置在發(fā)電機(jī)上。如圖6所示，可清楚地看見空心軸上松動(dòng)齒輪明顯的諧波形式。發(fā)現(xiàn)20階以上對(duì)應(yīng)的諧波，清楚地表明了機(jī)械松動(dòng)。WindCon已經(jīng)準(zhǔn)確地標(biāo)記并識(shí)別出屬于這個(gè)松動(dòng)齒輪的問(wèn)題頻率。通過(guò)這些頻率，可以在齒輪保持運(yùn)行時(shí)追蹤這個(gè)齒輪的狀態(tài)，避免了突發(fā)性的失效和對(duì)齒輪的損壞。

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)典型故障實(shí)例二：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

工況良好的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在軸向會(huì)產(chǎn)生清晰的3X 頻，如圖7所示。而轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作不正常時(shí)，3X頻會(huì)消失在噪聲中，如圖8所示。噪聲通常會(huì)在2X到4X轉(zhuǎn)頻中，一般會(huì)在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)性能效率降低時(shí)變大。一個(gè)不均衡的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈產(chǎn)生破壞力，在滿負(fù)荷情況下可以進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。

圖6 中空軸齒輪松動(dòng)的異常頻譜

圖7 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)良好的頻譜

圖8 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)性能異常的頻譜

3.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)典型故障實(shí)例三：齒輪箱

由于齒輪箱長(zhǎng)期運(yùn)行在變速、變負(fù)荷的惡劣工況下，振動(dòng)信號(hào)多包含高斯噪聲且具有非線性特點(diǎn)，容易發(fā)生的故障包括：軸不對(duì)中、軸不平衡、齒輪損傷、軸承損壞、滲漏油、斷軸、潤(rùn)滑不良、油溫過(guò)高等。因而齒輪箱是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)對(duì)象，在齒輪的低速輸入軸和高速輸出軸都要設(shè)置測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)其內(nèi)部的齒輪和軸承等對(duì)象的加速度包絡(luò)譜。

加速度包絡(luò)是一種信號(hào)處理技術(shù)，它能夠監(jiān)測(cè)到很微弱的沖擊故障信號(hào)，通常包括濾波、包絡(luò)檢波和傅里葉變換。加速度包絡(luò)分析對(duì)齒輪監(jiān)測(cè)是很重要的工具，往往可以檢測(cè)出部件的早期損傷狀態(tài)[8]。以V66 1.75 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，由圖9可推斷出行星齒輪發(fā)生滑動(dòng)摩擦。

圖9 齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的加速度包絡(luò)頻譜

3.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)典型故障實(shí)例四：軸承

由于風(fēng)電機(jī)組工作在交變負(fù)荷和重載影響下，軸承在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多種損壞形式，常見的有疲勞剝落、磨損、銹蝕、斷裂、膠合以及保持架損壞等。當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)以一定的通過(guò)頻率產(chǎn)生一系列的寬帶沖擊，寬帶沖擊的頻率稱為故障頻率。

以V66 1.75 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，如圖10所示，WindCon系統(tǒng)能夠追蹤并監(jiān)測(cè)整個(gè)齒輪箱中所有的軸承頻率。如圖11所示，加速度包絡(luò)頻譜清晰的顯示了軸承的缺陷頻率，正常第3段濾波器的加速度包絡(luò)值應(yīng)為0～0.2 gE，報(bào)警值設(shè)為0.3 gE，而圖中頻譜峰值BSF為0.65 gE，已處于報(bào)警狀態(tài)。實(shí)際驗(yàn)證V66風(fēng)機(jī)中間軸軸承打開后的情況如圖12所示，說(shuō)明該頻譜圖所顯示數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

圖10 軸承頻率

圖11 加速度包絡(luò)頻譜

圖12 V66風(fēng)機(jī)中間軸軸承打開后的情況

4 結(jié) 語(yǔ)

利用振動(dòng)信號(hào)來(lái)分析設(shè)備狀態(tài)信息是目前為止最全面、最易理解的監(jiān)測(cè)與診斷手段[9]，WindCon系統(tǒng)正是基于對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析來(lái)繪制出相應(yīng)頻譜圖，再依靠自帶專家數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確判別，具有極高的診斷效率和準(zhǔn)確性。同時(shí)，隨著故障樣本的不斷加入，其自帶專家數(shù)據(jù)庫(kù)也將更加豐富，這也進(jìn)一步提高了該系統(tǒng)的故障識(shí)別率。

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FanTransmissionSystemFaultDiagnosisCasesResearchBasedonVibrationSignalAnalysis

LIYue-feng,ZHAOZhi-gang

(SchoolofElectricPowerEngineering,ShenyangInstituteofEngineering,Shenyang110136,LiaoningProvince)

For the transimission system failure of wind turbine,this paper introduces the function and component scheme of on-line monitoring system of SKF WindCon.And the system is applied to vibration signal analysis and fault diagnosis for some actual cases in order to further optimize the online monitoring system for fan fault warning and diagnosis technology to provide reference data and reliable operation scheme.

wind turbines; vibration; transmission system; fault diagnosis

TK83

A

1673-1603(2017)04-0296-06

(責(zé)任編輯張凱校對(duì)魏靜敏)

2017-07-03

李岳峰(1993-)，男，遼寧遼陽(yáng)人，碩士研究生。

趙志剛(1961-)，男，吉林長(zhǎng)春人，高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、微電網(wǎng)及新能源發(fā)電方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.04.002