魏協(xié)奔，盧旭錦，孫培明，李童彬

（1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 汕頭 515000；2.揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 揭陽 522000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)能否正常投入使用，影響著風(fēng)力發(fā)電的整體質(zhì)量，而風(fēng)機(jī)故障會導(dǎo)致機(jī)組本身受到損壞嚴(yán)重的情況下，可能會造成更加不可預(yù)料的后果，而從風(fēng)力發(fā)電機(jī)所使用的環(huán)境以及自身結(jié)構(gòu)等角度出發(fā)，其設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用過程中容易受到外界環(huán)境的影響，造成風(fēng)力發(fā)電，整體質(zhì)量偏低。為保證風(fēng)力發(fā)電能夠正常地運(yùn)行，需要進(jìn)行振動狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷工作。而從現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際應(yīng)用情況來看，多數(shù)地區(qū)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行2500h 或者是5000h 后，會進(jìn)行例行維修，而這種維修周期較長，設(shè)備受損情況較為嚴(yán)重，部分問題難以在檢修工作中得到解決。在這種情況下，需要重視在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中處于一種可控狀態(tài)，輔助相關(guān)人員及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)用過程中存在的不足，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量與效率。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組震動研究基本概述

1.1 整機(jī)系統(tǒng)震動情況分析

從現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究情況來看，振動是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中較常見的故障之一，也是原因復(fù)雜不容易解決的問題之一，而這種問題在較為嚴(yán)重的情況下，會造成設(shè)備的損害，甚至產(chǎn)生其他重大事故。本文在研究的過程中，將風(fēng)機(jī)的整體系統(tǒng)分成塔架-機(jī)艙系統(tǒng)、根部剛性固定的葉片以及傳動系統(tǒng)三個組成部分進(jìn)行研究與分析。從圖1 所示的圖像中可以明顯地看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過程中其發(fā)生的振動情況會引發(fā)共振情況，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用的過程中自身的風(fēng)載、葉輪轉(zhuǎn)動、開關(guān)等會造成風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較為劇烈的振動情況，而這種震動則會造成軸承、齒輪副、聯(lián)軸器等部件的震動，進(jìn)而造成設(shè)備的損壞，影響設(shè)備的使用壽命與質(zhì)量。

圖1 具有三葉片和柔性塔架的WKA-60 型上風(fēng)機(jī)共振情況

1.2 偏航系統(tǒng)震動情況分析

在針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，由于偏航系統(tǒng)構(gòu)建較容易產(chǎn)生故障，而這種情況在小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中則更加常見。造成其情況的主要原因在于，轉(zhuǎn)子周期變化與旋轉(zhuǎn)力之間產(chǎn)生共振，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過程中，系統(tǒng)所承受的載荷更大，不斷變化的偏航力矩會引起扭轉(zhuǎn)震動，進(jìn)而在特定的位置不同的方位會產(chǎn)生較為明顯的摩擦阻尼以及牽制力。

1.3 葉片振動研究

葉片是風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵部件，多數(shù)的葉片均具有展向長、弦向短、柔韌性好等方面的特點(diǎn)，是一種在實(shí)際應(yīng)用中較容易產(chǎn)生振動的部件，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行質(zhì)量。目前，在實(shí)際運(yùn)行的過程中，葉片會由于自身的慣性力與重力等因素產(chǎn)生激振力，一般情況下，其震動保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，而在靜態(tài)發(fā)散、顫振等情況下，會造成較為強(qiáng)烈的振動，影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常使用。葉片震動受力分析如圖2。

圖2 葉片震動受力分析

1.4 主軸承振動

主軸承振動指風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過程中滾動軸承由于其各個部分的結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)，受損狀態(tài)等方面因素而造成的情況，需要注意的是，軸承座所傳遞的外界荷載以及激勵信號也會在一定程度上影響主軸承振動情況，多種因素也造成主軸承振動較為隨機(jī)。而軸承振動的頻譜按照其運(yùn)行實(shí)際情況來看，基本上可以分成低頻段、中頻段以及高頻段三個組成部分。軸承結(jié)構(gòu)頻譜如圖3。

圖3 軸承結(jié)構(gòu)頻譜

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷方法

從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷實(shí)際情況來看，在時代不斷發(fā)展的同時，其診斷方法也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性也呈現(xiàn)逐年上升趨勢?，F(xiàn)階段，在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，故障診斷的過程中，較常見的方法有時域分析法、頻譜分析法等。

時域分析法在實(shí)際應(yīng)用的過程中是一種應(yīng)用較為廣泛，且較為簡單的一種診斷方式，其在實(shí)際應(yīng)用的過程中難以對故障的準(zhǔn)確位置進(jìn)行判斷。而其方法的使用需要相關(guān)人員準(zhǔn)確地進(jìn)行有量綱特征參數(shù)、無量綱動態(tài)指標(biāo)的確定，以保證所研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

頻譜分析法，在實(shí)際應(yīng)用過程中是應(yīng)用較為廣泛，且能夠獲取大部分故障特征的一種故障診斷方法，其在實(shí)際應(yīng)用的過程中，通過檢測設(shè)備對風(fēng)力發(fā)電機(jī)各個部分的震動頻譜進(jìn)行調(diào)查，并按照其頻譜圖中所反映的情況，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的主要問題。在實(shí)際應(yīng)用過程中，要注意自功率譜分析以及共振調(diào)節(jié)工作。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組震動狀態(tài)檢測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計分析

時代在不斷發(fā)展的同時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷要求也在不斷地提升，在進(jìn)行其系統(tǒng)設(shè)計的過程中，也需要按照實(shí)際情況，合理地進(jìn)行設(shè)計方案的選擇。本文在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的過程中，主要是從振動信息監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測、故障特征分析、故障識別等幾個角度進(jìn)行總體方案的設(shè)計。

振動信息監(jiān)測指系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過程中，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)組的振動情況進(jìn)行實(shí)時的檢測，并能夠利用數(shù)字化的技術(shù)將振動情況繪制成較形象的圖像，輔助相關(guān)研究人員更加準(zhǔn)確地分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況。而振動信息監(jiān)測在實(shí)際運(yùn)行過程中主要由傳感器、數(shù)據(jù)預(yù)處理、A/D 轉(zhuǎn)換等部分所組成。

狀態(tài)監(jiān)測指系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，需要按照發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)以及相關(guān)的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組趨勢圖繪制，通過趨勢圖能夠更好地反映發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中設(shè)備的發(fā)展趨勢，為后續(xù)的維修、保養(yǎng)工作提供一定的支持。

故障特征分析指系統(tǒng)在對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集后，對原始的信號進(jìn)行分析處理，尋找信號中具有特點(diǎn)的信息，并按照自身所儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障特征的分析工作。其組成部分在實(shí)際應(yīng)用中能夠在較短的時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理與分析工作，為故障維修等工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析，提升故障維修的質(zhì)量與效率。

故障識別指在系統(tǒng)在應(yīng)用中，能夠通過對故障信息監(jiān)測和故障特征分析的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)律，進(jìn)行故障、故障產(chǎn)生原因、故障產(chǎn)生部位等信息的排除，進(jìn)而為維修人員提供較準(zhǔn)確的故障發(fā)生原因分析、故障產(chǎn)生位置分析、故障影響情況分析等方面的數(shù)據(jù)。以及其在實(shí)際應(yīng)用的過程中也能夠與模糊診斷手段相互結(jié)合使用，提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 測量點(diǎn)的選擇

在進(jìn)行測量點(diǎn)選擇的過程中，需要保證測量點(diǎn)滿足以下幾方面的需求。（1）測量點(diǎn)需要盡可能地靠近軸承的承載區(qū)，且不能夠在保護(hù)罩、外殼、設(shè)備結(jié)構(gòu)間隙等地選擇監(jiān)測點(diǎn)。（2）從現(xiàn)階段研究實(shí)際情況來看，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生故障的原因多種多樣，而產(chǎn)生振動的方向也存在較大的不同，因而在進(jìn)行檢測點(diǎn)選擇的過程中，需要盡可能地選擇能夠?qū)λ酱怪弊呦蛉齻€方向進(jìn)行檢測的點(diǎn)。（3）在進(jìn)行檢測點(diǎn)選擇過程中，需要選擇設(shè)備表面較為平滑地區(qū)，減少設(shè)備表面污漬等情況對振動信號的影響。

4 結(jié)語

從現(xiàn)階段我國電力行業(yè)發(fā)展實(shí)際情況來看，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為我國電力行業(yè)發(fā)展的主要方向之一，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用的過程中，容易受到自身結(jié)構(gòu)以及外界因素的影響，造成發(fā)電機(jī)應(yīng)用質(zhì)量較低，甚至?xí)斐奢^大的事故?；诖?，要求相關(guān)人員在電力行業(yè)發(fā)展過程中，要重視電力發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)的監(jiān)測以及故障診斷工作，在發(fā)現(xiàn)存在異常數(shù)據(jù)時，能夠及時地對設(shè)備應(yīng)用情況進(jìn)行分析，并進(jìn)行設(shè)備的維修與保養(yǎng)，使發(fā)電機(jī)能夠更高效地投入使用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本較高，重視風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)的檢測與故障診斷工作，能夠較及時地進(jìn)行設(shè)備的管理與維修工作，降低發(fā)電機(jī)損壞程度，進(jìn)而降低更換成本，提升發(fā)電機(jī)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。