蘇連成,李興林,李小俚,張燕遼,張仰平
(1.杭州軸承試驗(yàn)研究中心 博士后工作站,杭州 310022;2.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004)
從2005年至2010年,國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)經(jīng)歷了5年的翻倍增長(zhǎng),截至2010年底,中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)以4 183萬(wàn)千瓦超越美國(guó)成為了全球第一的風(fēng)電大國(guó),但是總發(fā)電量只有500億千瓦時(shí),仍低于美國(guó)。原因是并網(wǎng)容量與吊裝容量的差別,中國(guó)未并網(wǎng)容量高達(dá)30%以上,與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有較大差距,國(guó)際先進(jìn)水平的未并網(wǎng)容量不到10%。未并網(wǎng)的原因,除了風(fēng)力不足等自然原因外,主要是因?yàn)闄C(jī)組各種零部件的故障引起的計(jì)劃外停機(jī)。報(bào)告還顯示了風(fēng)電發(fā)展的兩個(gè)趨勢(shì),一是單機(jī)容量的不斷增大,2008年新增機(jī)組中兆瓦級(jí)以上的占90%以上,2.5兆瓦以上的達(dá)到了6%以上[1];二是風(fēng)電場(chǎng)逐步由陸地走到海上。由此可知,風(fēng)電機(jī)組故障造成停機(jī)發(fā)電損失以及維護(hù)費(fèi)用將大大提高。
風(fēng)電機(jī)組主要零部件的可靠性研究[2-4]表明,在風(fēng)電機(jī)組的故障中電氣和控制系統(tǒng)故障率最高,傳動(dòng)系統(tǒng)(如齒輪箱、主軸承等)故障率相對(duì)較低,具體比例如圖1所示。但進(jìn)一步的研究表明[5],電氣和控制系統(tǒng)的故障容易排除,停機(jī)時(shí)間短(圖2),也不需要吊車(chē)等輔助工具。從機(jī)組故障引發(fā)的停機(jī)時(shí)間、維護(hù)費(fèi)用和是否容易造成的繼發(fā)故障等角度分析,與電氣和控制系統(tǒng)相比,機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警維護(hù)更為重要。
圖1 瑞士風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組各零部件故障分布(%)[2]
圖2 風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件故障率與故障引起的停機(jī)時(shí)間[5]
軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的關(guān)鍵部件,也是風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件,機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪箱、槳葉等非軸承故障,亦多是由軸承故障引起或可在軸承的運(yùn)行狀態(tài)中得到反映。因此對(duì)軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷和運(yùn)行維護(hù)具有重要的意義。同時(shí)吊裝和更換機(jī)械傳動(dòng)部件極為不便且成本很高[6-7],在機(jī)組的單機(jī)容量不斷增加的情況下,不管是在陸地[8]還是在海上[9],考慮風(fēng)電機(jī)組的惡劣工況和長(zhǎng)壽命、高可靠性的使用要求,風(fēng)電軸承的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)降低風(fēng)電場(chǎng)的維護(hù)費(fèi)用,提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
下文主要介紹目前最普遍的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承的故障原因,已投入使用的軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)和方法特點(diǎn),并對(duì)軸承的運(yùn)行維護(hù)提出建議,預(yù)測(cè)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展前景。
風(fēng)電機(jī)組軸承大致可以分為4類(lèi):變槳軸承、偏航軸承、傳動(dòng)系統(tǒng)軸承(主軸和變速箱軸承)及發(fā)電機(jī)軸承。偏航軸承安裝在塔架與座艙的連接部;變槳軸承安裝在每個(gè)葉片的根部與輪轂連接部位(除部分小功率兆瓦級(jí)以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為不可調(diào)槳葉,無(wú)變槳軸承外,每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備用1套偏航軸承和3套變槳軸承,如圖3所示),主軸連接輪轂和齒輪箱。風(fēng)電機(jī)組軸承均為低速重載軸承,其中偏航和變槳軸承為不完全旋轉(zhuǎn)軸承。齒輪箱為增速箱,將葉輪的低速變?yōu)檩斎氲桨l(fā)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速,二者的軸承與通常的發(fā)電機(jī)組除了在使用壽命和可靠性方面要求較高,并無(wú)其他不同。
圖3 雙饋風(fēng)電機(jī)組各軸承位置
變槳系統(tǒng)的作用是當(dāng)風(fēng)速過(guò)高或過(guò)低時(shí),通過(guò)調(diào)整槳葉節(jié)距,改變氣流對(duì)葉片攻角,從而改變風(fēng)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩,使功率輸出保持穩(wěn)定。偏航系統(tǒng)主要有兩個(gè)功能,一是使風(fēng)輪跟蹤風(fēng)向;二是由于偏航,機(jī)艙內(nèi)引出的電纜發(fā)生纏繞時(shí),自動(dòng)解纜。
偏航和變槳軸承要承受很大的傾覆力矩,且部分裸露在外,易受沙塵、水霧、冰凍等污染侵害,因此,要進(jìn)行滿足整個(gè)使用壽命期的表面防腐處理。同樣重要的還有防止軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂泄漏、外界雜質(zhì)侵入的密封技術(shù)。
偏航和變槳軸承要承受不定風(fēng)力所產(chǎn)生的沖擊載荷,具有間歇工作,啟停較為頻繁,傳遞扭矩較大,傳動(dòng)比高的特點(diǎn)。因此,偏航軸承要求小游隙;變槳軸承與偏航軸承相比,由于承受的沖擊載荷更大,由葉片傳遞的振動(dòng)也大,所以要求為零游隙或小負(fù)游隙,以減小滾動(dòng)工作面的微動(dòng)磨損。
偏航和變槳軸承不完全旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)使得軸承的內(nèi)、外圈在很小的角度范圍內(nèi)擺動(dòng),因此其滾動(dòng)體不是沿整個(gè)滾道滾動(dòng),而是搖動(dòng),即只移動(dòng)很小的距離,一直是同一部分的滾動(dòng)體受載荷的作用。此類(lèi)軸承發(fā)生故障原因多為軸承潤(rùn)滑不好造成的磨損、螺栓松動(dòng)引起軸承移位和安裝不當(dāng)引起軸承變形[10]。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸從葉輪傳遞扭矩到增速箱,主軸軸承承受的力主要包括槳葉、輪轂及其附屬部件的質(zhì)量,在工作過(guò)程中為懸臂梁結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)速低(10~30 r/min)且波動(dòng)范圍大,傳輸載荷也容易突變,產(chǎn)生彎曲變形,要求其有較高的承載能力和傳動(dòng)平衡精度。并且與偏航和變槳軸承一樣,工作過(guò)程中,不但要耐受強(qiáng)烈的風(fēng)沙和各種腐蝕,還要承受較大的溫差。主軸軸承故障主要的原因是由于潤(rùn)滑不良引起滾動(dòng)體和滾道產(chǎn)生損傷從而過(guò)早失效。
齒輪箱是連接機(jī)組主軸和發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)部件,其主要功能是將主軸的低速運(yùn)轉(zhuǎn)輸入,轉(zhuǎn)化成中速或高速發(fā)電機(jī)所需的輸出,是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的重要部件之一。
一般齒輪箱質(zhì)量為十幾噸至幾十噸,整個(gè)機(jī)艙距地面幾十米至一百多米高,一旦出現(xiàn)故障,不僅維修困難,而且費(fèi)用也很高。隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)功率的不斷提高,在某種程度上其故障率和壽命局限成為風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。Vestas公司就曾經(jīng)一次性更換了80臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱,損失巨大;Micon公司因幾千臺(tái)齒輪箱的質(zhì)量問(wèn)題被迫更換,導(dǎo)致公司破產(chǎn)。
而國(guó)內(nèi)、外的應(yīng)用實(shí)踐表明,在風(fēng)電齒輪箱的所有零部件里,軸承是最薄弱的環(huán)節(jié)之一,據(jù)統(tǒng)計(jì),齒輪箱故障中約80%是由軸承失效所致[11-12]。雙饋風(fēng)電機(jī)組齒輪箱基本上都是由行星級(jí)和平行級(jí)組成。對(duì)于輸入軸承,由于其轉(zhuǎn)速低,導(dǎo)致輸入軸軸承也就是行星架支承軸承的油膜形成往往比較難。常見(jiàn)的行星架軸承失效的原因主要是當(dāng)剎車(chē)或是其他出現(xiàn)軸向載荷交替變換方向的工況時(shí),主軸及其后面連接的行星架在軸向可能會(huì)有竄動(dòng),如果竄動(dòng)量足夠大,則對(duì)圓柱滾子軸承會(huì)造成沖擊。而且,由于內(nèi)齒圈和齒輪箱箱體是連成一體的,所以行星輪和行星架一起軸向竄動(dòng)還會(huì)對(duì)行星輪造成齒面磨損。
行星輪軸承失效的原因主要是因?yàn)檩S承外圈和行星輪內(nèi)孔之間過(guò)盈配合量不足,或是由于齒輪變形而使兩者接觸面積減少的情況下,會(huì)出現(xiàn)外圈跑圈和磨損。高速軸軸承失效的原因主要是因?yàn)閳A柱滾子軸承及四點(diǎn)接觸球軸承組合在高速級(jí)的應(yīng)用中較為常見(jiàn),在高速和低載的情況下,圓柱滾子軸承容易出現(xiàn)滾子打滑和滾道滑傷,而球軸承可能會(huì)出現(xiàn)滑傷和微剝落的損傷[13]。
發(fā)電機(jī)軸承與通常發(fā)電機(jī)組的軸承相比,除了要承受變速和變負(fù)載外,沒(méi)有大的不同,不再單獨(dú)論述。
目前實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)電軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障識(shí)別方法主要有基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)的方法,基于振動(dòng)分析、潤(rùn)滑油檢測(cè)的方法,基于聲音[14-15]、紅外圖像的方法[16]以及多種方法相結(jié)合[5]等方法。
對(duì)于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),風(fēng)電機(jī)組與通常的發(fā)電機(jī)組相比有自己的特點(diǎn):通常的火力或水利發(fā)電機(jī)組的單機(jī)功率比風(fēng)電機(jī)組大得多,機(jī)組數(shù)目少,因此狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)少,而一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)通常幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,因此需要的傳感器數(shù)目和采集與通信的數(shù)據(jù)量比通常的發(fā)電機(jī)組要大得多,增加了風(fēng)電機(jī)組的成本和復(fù)雜性,也限制了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用普及。如果能利用風(fēng)電機(jī)組已有的SCADA數(shù)據(jù),不裝配額外的傳感器獲取風(fēng)電機(jī)組軸承的運(yùn)行狀態(tài),是最經(jīng)濟(jì)的方法。SCADA系統(tǒng)示意圖如圖4所示,其將以下運(yùn)行參數(shù)的每十分鐘平均值發(fā)送到中央數(shù)據(jù)庫(kù)[17]:實(shí)際輸出功率和標(biāo)準(zhǔn)差、測(cè)風(fēng)儀測(cè)量的風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)差、齒輪箱軸承溫度、齒輪箱潤(rùn)滑油液溫度、發(fā)電機(jī)繞組溫度、功率因數(shù)、無(wú)功功率、相電流、機(jī)艙溫度(每小時(shí)平均)。
圖4 風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)示意圖
研究表明發(fā)電機(jī)的機(jī)械故障可以由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的終端發(fā)電機(jī)的輸出反應(yīng)出來(lái)[18-21],通過(guò)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電壓、電流和功率的穩(wěn)定功率譜分析,對(duì)發(fā)電機(jī)的軸承、轉(zhuǎn)子的斷條、氣隙偏向等故障進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)[22-24]。對(duì)于傳動(dòng)軸承故障診斷,類(lèi)似的研究還比較少[25],用對(duì)電動(dòng)機(jī)電流解調(diào)的方法監(jiān)測(cè)多級(jí)齒輪箱的故障,用定子電動(dòng)機(jī)電流識(shí)別齒輪箱滾動(dòng)軸承的故障,由于電流的非平穩(wěn)特點(diǎn),引入了小波包變換的方法[23,26]。
在缺少振動(dòng)傳感器的情況下,由SCADA參數(shù)反應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)不夠具體。由多所大學(xué)、咨詢機(jī)構(gòu)和風(fēng)電機(jī)組制造商合作的歐盟項(xiàng)目ReliaWind[27]在主軸承、齒輪箱和發(fā)電機(jī)軸承處安裝振動(dòng)傳感器,通過(guò)將每十分鐘的振動(dòng)平均數(shù)據(jù)和SCADA數(shù)據(jù)參數(shù)相結(jié)合判斷風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)[19-21]。
基于振動(dòng)的方法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械和其他發(fā)電機(jī)組的故障診斷中已廣泛應(yīng)用,且取得了很好的效果。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)和齒輪箱高速軸承可以應(yīng)用現(xiàn)有基于振動(dòng)的故障診斷技術(shù),只是由于風(fēng)電機(jī)組的負(fù)載是非平穩(wěn)的變量,常用的時(shí)域和頻域FFT分析方法的效果會(huì)受影響,在信號(hào)處理的方法上需要改進(jìn)[28-29]。而對(duì)于主軸軸承和齒輪箱低速軸承,由于軸承的轉(zhuǎn)速低(10~30 r/min),計(jì)算出的故障頻率低,而高通濾波器會(huì)將3 Hz以下的頻率過(guò)濾掉,再加上受到環(huán)境噪聲的影響,使得頻譜分析效果很差甚至無(wú)法進(jìn)行;而在沖擊故障的瞬態(tài)性問(wèn)題中,由于每次故障沖擊的間隔較長(zhǎng),使用沖擊法很難準(zhǔn)確地檢測(cè)到故障信號(hào);同時(shí)由故障點(diǎn)產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)的頻率較低,不能激勵(lì)起較高的頻率成分。以上原因限制了振動(dòng)監(jiān)測(cè)主軸軸承運(yùn)行狀態(tài)的效果,但可從其運(yùn)行情況反映葉片的運(yùn)行狀態(tài),比如識(shí)別其是否平衡,從而判斷其是否遭受冰凍等事故[30]。
目前風(fēng)電機(jī)組通常的振動(dòng)傳感器配置[31-32]如圖5所示,其中1,2是位移傳感器,監(jiān)測(cè)主軸的絕對(duì)位移;3,4是靜態(tài)加速度傳感器,監(jiān)測(cè)機(jī)艙水平和縱向的擺動(dòng);5,6是振動(dòng)加速度傳感器,監(jiān)測(cè)齒輪箱高速軸和發(fā)電機(jī)軸承。
圖5 通常的風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)傳感器配置
資料顯示軸承的早期故障多與潤(rùn)滑不良有關(guān),主要原因有:(1)由于大氣溫度過(guò)低,潤(rùn)滑劑凝固,造成潤(rùn)滑劑無(wú)法到達(dá)需潤(rùn)滑部位而造成磨損;(2)潤(rùn)滑劑散熱不好,經(jīng)常過(guò)熱,造成潤(rùn)滑劑提前失效而損壞機(jī)械嚙合表面;(3)濾芯堵塞、油位傳感器污染,潤(rùn)滑劑“中毒”而失效[33]。引起的故障有粘著磨損、腐蝕磨損、表面疲勞磨損、微動(dòng)磨損和氣蝕。這些磨損出現(xiàn)之后,輕則金屬微粒會(huì)污染潤(rùn)滑劑,影響功率傳遞,產(chǎn)生噪聲,造成齒面嚴(yán)重磨損或斷裂,軸承內(nèi)、外圈或滾動(dòng)體損壞,嚴(yán)重時(shí)使機(jī)組無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)而徹底停機(jī)。目前的油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是監(jiān)測(cè)振動(dòng)齒輪箱的潤(rùn)滑油液(表1中系統(tǒng)15~18),對(duì)于脂潤(rùn)滑的部件尚沒(méi)有在線監(jiān)測(cè)的方法。
振動(dòng)監(jiān)測(cè)是風(fēng)電軸承監(jiān)測(cè)的趨勢(shì),但由于風(fēng)電負(fù)載和風(fēng)力的不穩(wěn)定影響了傳統(tǒng)的時(shí)域和頻域FFT分析方法的效果,亟需引入新的非平穩(wěn)信號(hào)的處理方法。但是另一方面,風(fēng)電場(chǎng)對(duì)自己的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采取一致的保密態(tài)度(因?yàn)樾枰獙?duì)風(fēng)電機(jī)組投保等原因),從事信號(hào)處理的科研人員不太容易獲取實(shí)際數(shù)據(jù)。
對(duì)于主軸軸承、齒輪箱低速軸軸承、偏航和變槳軸承,由于是低速或不完全旋轉(zhuǎn),限制了振動(dòng)監(jiān)測(cè)的效果。齒輪箱低速軸軸承可以采用潤(rùn)滑油液的在線監(jiān)測(cè)方法,但對(duì)于主軸軸承、偏航和變槳軸承,多采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑或潤(rùn)滑脂和潤(rùn)滑油液混合潤(rùn)滑,難以采用在線監(jiān)測(cè)的方法,離線的樣品采集往往也難以保證樣品參與潤(rùn)滑工作,監(jiān)測(cè)的效果不易保證。
目前現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)見(jiàn)表1。其中1~14為振動(dòng)傳感器,15~18為油液監(jiān)測(cè)傳感器。
表1 風(fēng)電機(jī)組故障診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè),到目前為止,國(guó)內(nèi)的研究主要還停留在實(shí)驗(yàn)室階段[34],對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的軸承維護(hù)與故障診斷的建議與前景[35]如下:
(1)結(jié)合SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法具有很好的前途,但單純的監(jiān)測(cè)傳感器在負(fù)載和轉(zhuǎn)速突變的情況下難以保證監(jiān)測(cè)效果,需要參考SCADA的其他數(shù)據(jù)。
(2)由于風(fēng)電場(chǎng)往往有幾十臺(tái)機(jī)組,監(jiān)測(cè)點(diǎn)多,數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)墓ぷ髁看?,振?dòng)傳感器需要自動(dòng)故障診斷功能,并可將報(bào)警信號(hào)直接發(fā)送到控制系統(tǒng);況且由于我國(guó)的風(fēng)電場(chǎng)主要處于風(fēng)力資源豐富的北方,冬天氣溫低,春天有沙塵暴,灰塵、冷凍容易引起潤(rùn)滑失效,為此要特別注重軸承的潤(rùn)滑監(jiān)測(cè)。
(3)負(fù)載和轉(zhuǎn)速的變化也使通常的時(shí)域和頻域信號(hào)分析方法的效果受到限制,需要引入新的信號(hào)處理方法,為此需要風(fēng)電場(chǎng)與高校和科研院所合作;同時(shí)大力研究開(kāi)發(fā)聲發(fā)射、引力等新型傳感器也有重要的意義。