韓德海，陽(yáng)凌霄，趙萍，史天寶，李中林

（南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部，湖南 株洲 412001）

風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)振動(dòng)噪聲特性分析

韓德海，陽(yáng)凌霄，趙萍，史天寶，李中林

（南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部，湖南 株洲 412001）

風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)普遍設(shè)置有摩擦制動(dòng)機(jī)構(gòu)，低速摩擦自激振動(dòng)現(xiàn)象多發(fā)。本文通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室和風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)的偏航振動(dòng)噪聲進(jìn)行測(cè)試和分析，指出了振動(dòng)加速度和噪聲頻譜上的倍頻特征是偏航振動(dòng)的典型特性，并可以依據(jù)噪聲的頻譜特征對(duì)此類故障進(jìn)行診斷。

風(fēng)電機(jī)組；偏航；振動(dòng)；噪聲；頻譜；摩擦學(xué)

0 引言

大型風(fēng)電機(jī)組均采用主動(dòng)偏航系統(tǒng)，并普遍設(shè)置有摩擦制動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于偏航動(dòng)作具有低速、重載的特點(diǎn)，低速摩擦自激振動(dòng)現(xiàn)象多發(fā)，導(dǎo)致偏航運(yùn)動(dòng)均勻性差、精度降低，而且容易產(chǎn)生沖擊，產(chǎn)生額外的疲勞載荷[1]。J. Behrendt等指出，偏航振動(dòng)噪聲的stick－slip現(xiàn)象是由于微觀的slip－pulse現(xiàn)象與宏觀的結(jié)構(gòu)振動(dòng)彼此激勵(lì)的綜合表現(xiàn)，無(wú)法僅從宏觀結(jié)構(gòu)特性來(lái)預(yù)測(cè)[2]。廖明夫、加成雙等指出潤(rùn)滑不良、裝配誤差、結(jié)構(gòu)缺陷等會(huì)影響扭矩傳遞的平穩(wěn)性，摩擦副會(huì)形成振源，當(dāng)其自激振動(dòng)頻率接近塔架的典型固有頻率時(shí)，會(huì)引起塔架的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)失穩(wěn)[3-4]。

微觀摩擦學(xué)的研究需要深入的研究探索，宏觀層面對(duì)偏航振動(dòng)噪聲的動(dòng)力學(xué)特性也需要做定量研究。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室和風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組出現(xiàn)的偏航振動(dòng)噪聲進(jìn)行了測(cè)試和分析，指出了典型偏航振動(dòng)噪聲的時(shí)域和頻域特征，給出了偏航振動(dòng)噪聲的辨識(shí)方法。

1 偏航系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

兩種典型的偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

兩種偏航系統(tǒng)的特征對(duì)比如表1所示。

可見兩種偏航系統(tǒng)中都存在偏航摩擦片與偏航齒圈（或偏航制動(dòng)盤）的摩擦制動(dòng)機(jī)構(gòu)。摩擦副對(duì)于摩擦片性能、表面粗糙度、裝配間隙、油污等有一定的敏感性，當(dāng)這些條件有變動(dòng)時(shí)，往往造成摩擦性能的不穩(wěn)定，表現(xiàn)為振動(dòng)噪聲現(xiàn)象[5]。

2 偏航系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲

使用振動(dòng)測(cè)試儀和錄音設(shè)備，對(duì)風(fēng)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)的偏航振動(dòng)噪聲進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)記錄的振動(dòng)加速度和音頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，可以發(fā)現(xiàn)明顯的特征。

2.1 滑動(dòng)軸承式偏航系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲特性

2.1.1 實(shí)驗(yàn)室滑動(dòng)軸承式偏航系統(tǒng)振動(dòng)噪聲特性

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)發(fā)生偏航振動(dòng)噪聲情況的風(fēng)電機(jī)組一進(jìn)行振動(dòng)加速度測(cè)試，測(cè)得橫向吊桿在圓周切向的加速度時(shí)域信號(hào)如圖3所示（縱軸單位為g）。

圖1 偏航系統(tǒng)型式一（滑動(dòng)軸承+碟簧阻尼）

圖2 偏航系統(tǒng)型式二（滾動(dòng)軸承+液壓制動(dòng)）

與振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)相對(duì)應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)能夠明顯分辨出，在5s－50s和50s－120s范圍內(nèi)，偏航動(dòng)作伴隨有兩種不同大小和特征的噪聲。取局部時(shí)域波形查看，在前半段，振動(dòng)加速度有明顯的周期性，峰值普遍超過(guò)0.5g，如圖4所示；在后半段，振動(dòng)加速度也有明顯的周期性，峰值普遍超過(guò)0.1g，如圖5所示。

圖3 風(fēng)電機(jī)組一偏航振動(dòng)加速度時(shí)域波形

圖4 風(fēng)電機(jī)組一偏航振動(dòng)加速度時(shí)域波形（15s-16s）

表1 兩種偏航系統(tǒng)的對(duì)比

取前半段振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可見明顯的倍頻特征，并在1倍頻（15.3Hz）和5倍頻（76.5Hz）處有最高幅值，如圖6所示。

取后半段振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，在500Hz以下頻段可見明顯的倍頻特征，并在1倍頻（66Hz）及其2、3、4、5倍頻處有較高幅值；同時(shí)，在362Hz、483Hz、708Hz和757Hz處可見較高幅值，如圖7所示。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)室滑動(dòng)軸承式偏航系統(tǒng)無(wú)噪聲時(shí)的振動(dòng)特性

在相同環(huán)境條件下，對(duì)未發(fā)生偏航振動(dòng)噪聲的風(fēng)電機(jī)組二進(jìn)行加速度測(cè)試，測(cè)得橫向吊桿在圓周切向的加速度時(shí)域信號(hào)如圖8、圖9所示（縱軸單位為g）?？梢娬駝?dòng)加速度峰值幅值普遍小于0.15g，周期性不明顯。

對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，沒(méi)有倍頻特征，在363Hz、483Hz、532Hz、708和757Hz處可見較高幅值，如圖10所示。結(jié)合圖7結(jié)果，可見363Hz、483Hz、 532Hz、708Hz和757Hz等為偏航系統(tǒng)的固有頻率。

圖5 風(fēng)電機(jī)組一偏航振動(dòng)加速度時(shí)域波形（70s-70.2s）

圖6 風(fēng)電機(jī)組一偏航振動(dòng)加速度頻譜（12s-37s）

圖7 風(fēng)電機(jī)組一偏航振動(dòng)加速度頻譜（62s-112s）

圖8 風(fēng)電機(jī)組二偏航振動(dòng)加速度時(shí)域波形

圖9 機(jī)組二偏航振動(dòng)加速度時(shí)域波形（120s-120.2s）

圖10 風(fēng)電機(jī)組二偏航振動(dòng)加速度頻譜

由圖3－圖10可見，偏航系統(tǒng)低速摩擦自激振動(dòng)的典型特征為——

（1）周期性振動(dòng)；

（2）加速度峰值幅值大于0.1g，有可能超過(guò)0.5g；

（3）頻譜中表現(xiàn)為明顯的倍頻特征。

2.1.3 偏航振動(dòng)與噪聲的測(cè)試方法分析

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)發(fā)生偏航振動(dòng)噪聲情況的風(fēng)電機(jī)組三進(jìn)行加速度測(cè)試的同時(shí)，對(duì)噪聲進(jìn)行錄音，將音頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)域（如圖11所示）以及頻域分析（如圖13所示），與橫向吊桿切向振動(dòng)加速度的時(shí)域波形（如圖12所示）和頻譜（如圖14所示）進(jìn)行比對(duì)分析?？梢娛褂脙煞N測(cè)試方法得到的時(shí)域波形有很好的時(shí)間對(duì)應(yīng)性。而在頻譜方面——

（1）噪聲頻譜也反映出了明顯的倍頻特征，且基頻相同（61.4Hz）；

（2）噪聲頻譜中同樣能反映出偏航系統(tǒng)的固有頻率特征（532Hz、707Hz）。

圖11 風(fēng)電機(jī)組三偏航噪聲時(shí)域圖

圖12 風(fēng)電機(jī)組三偏航振動(dòng)加速度時(shí)域波形

圖13 風(fēng)電機(jī)組三偏航噪聲頻譜

圖14 風(fēng)電機(jī)組三偏航振動(dòng)加速度頻譜

圖15 風(fēng)電機(jī)組四偏航噪聲頻譜（有振動(dòng)）

圖16 風(fēng)電機(jī)組四偏航噪聲頻譜（改善后）

由此可見，在沒(méi)有振動(dòng)測(cè)試儀的情況下，可以簡(jiǎn)單地對(duì)噪聲進(jìn)行錄音，通過(guò)錄音信號(hào)的頻譜，基本可以辨識(shí)出偏航系統(tǒng)低速摩擦自激振動(dòng)的故障現(xiàn)象。

2.1.4 風(fēng)電場(chǎng)滑動(dòng)軸承式偏航系統(tǒng)噪聲案例分析

某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組四發(fā)現(xiàn)偏航振動(dòng)噪聲情況后，對(duì)噪聲進(jìn)行了錄音，頻譜（如圖15所示）中可見典型倍頻特征（基頻為35.95Hz），判斷為典型的低速摩擦自激振動(dòng)故障。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整后，偏航振動(dòng)噪聲情況明顯好轉(zhuǎn)，再次對(duì)偏航聲音進(jìn)行錄音，頻譜（如圖16所示）中未見倍頻特征，僅表現(xiàn)為偏航系統(tǒng)的固有頻率（357.8Hz、476.9Hz、524.6Hz、700.3Hz），且噪聲幅值有顯著降低，故障解除。

2.2 滾動(dòng)軸承式偏航系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲特性

在特定情況下，滾動(dòng)軸承式偏航系統(tǒng)也可能發(fā)生低速摩擦自激振動(dòng)現(xiàn)象。

2.2.1 風(fēng)電場(chǎng)滾動(dòng)軸承式偏航系統(tǒng)噪聲案例分析

某風(fēng)電場(chǎng)采用滾動(dòng)軸承式偏航系統(tǒng)的機(jī)組五發(fā)現(xiàn)較大的偏航振動(dòng)噪聲情況，對(duì)噪聲錄音進(jìn)行頻譜分析（如圖17所示），可見明顯的倍頻特征（基頻為52Hz）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，發(fā)現(xiàn)液壓制動(dòng)器的摩擦片被油脂污染，遂進(jìn)行了摩擦片的更換和制動(dòng)盤清洗。整改完成后重新對(duì)偏航聲音進(jìn)行頻譜分析（如圖18所示），未見倍頻特征，僅表現(xiàn)為偏航系統(tǒng)的固有頻率（248.2Hz、330.5Hz、484.8Hz、677.5Hz、980.8Hz），且噪聲幅值有顯著降低，故障解除。

2.2.2 非典型偏航噪聲案例分析

某風(fēng)電場(chǎng)采用滾動(dòng)軸承式偏航系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組六發(fā)現(xiàn)較大的偏航振動(dòng)噪聲情況，聽取噪聲錄音，主觀感覺比較雜亂，有低頻的“吱嘎嘎”和高頻的刺耳聲，不同于前述由摩擦制動(dòng)引發(fā)的自激振動(dòng)噪聲。查看錄音頻譜（如圖19所示），頻率成分比較雜亂，無(wú)明顯倍頻特征。因此，初步判斷振動(dòng)噪聲原因不是摩擦制動(dòng)因素。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，發(fā)現(xiàn)偏航驅(qū)動(dòng)與偏航軸承齒圈嚙合處為干摩擦，缺乏潤(rùn)滑，遂按操作規(guī)程執(zhí)行了潤(rùn)滑脂涂抹，然后發(fā)現(xiàn)偏航振動(dòng)噪聲消失。

作為側(cè)面佐證，此案例可說(shuō)明通過(guò)噪聲頻譜的倍頻特征判別偏航摩擦自激振動(dòng)這一方法的有效性。

圖17 風(fēng)電機(jī)組五偏航噪聲頻譜（摩擦片有油污）

圖18 風(fēng)電機(jī)組五偏航噪聲頻譜（更換摩擦片后）

圖19 風(fēng)電機(jī)組六偏航噪聲頻譜（欠潤(rùn)滑）

3 結(jié)論

（1）滑動(dòng)軸承式和滾動(dòng)軸承式偏航系統(tǒng)都可能出現(xiàn)摩擦自激振動(dòng)現(xiàn)象；

（2）偏航系統(tǒng)低速摩擦自激振動(dòng)的典型特征為，振動(dòng)加速度和噪聲頻譜上表現(xiàn)為倍頻現(xiàn)象；

（3）通過(guò)錄音信號(hào)的頻譜，基本可以辨識(shí)出偏航系統(tǒng)低速摩擦自激振動(dòng)的故障現(xiàn)象。

[1]李曉光, 趙萍. 兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)低速抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2013(1):89-94.

[2]J. Behrendt, C. Weiss, N. P. Hoffmann. A Numerical Study on Stick-slip Motion of a Brake Pad in Steady Sliding[J]. Journal of Sound and Vibration, 2011, 33: 636-651.

[3]廖明夫, 黃巍, 董禮, 袁凱峰, 孫鵬. 風(fēng)力機(jī)偏航引起的失穩(wěn)振動(dòng)[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2009(4):488-492.

[4]加成雙. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航振動(dòng)的研究[D]. 吉林: 吉林大學(xué), 2011.

[5]陳波,何明.兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)異響原因分析和改進(jìn)[J].風(fēng)能, 2012(11):88-91.

Analysis of Features of Wind Turbine Yaw Vibration and Noise

Han Dehai, Yang Lingxiao, Zhao Ping, Shi Tianbao, Li Zhonglin
(CSR Zhuzhou Institute Co.,Ltd.,Wind Power Business Unit, Zhuzhou, Hunan412001, China)

Low speed self-excited vibration of wind turbine yaw system oThen happens, due to friction brake mechanism. Yaw vibration and noise of wind turbines from laboratory and wind farms are tested and analyzed in this paper, indicating that harmonic frequency is a distinction of the frequency spectrum. Faults can be diagnosed by spectral characteristics of the noise.

wind turbine; yaw; vibration; noise; frequency; tribology

TK83

A

1674-9219(2013)12-0082-05

2013-11-14。

韓德海（1983-），男，碩士，機(jī)械工程師，長(zhǎng)期從事風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)開發(fā)工作。