文 | 鄭海波

風電機組振動監(jiān)測案例分析

文 | 鄭海波

隨著我國風電行業(yè)規(guī)模的擴大，風電機組的運行維護工作顯得越來越重要，如何做好風電場的計劃維護，降低風電場設(shè)備的故障率，提高設(shè)備的可靠性，對于風電項目的盈利與否，將起到非常關(guān)鍵的作用。風電機組的維護維修引入振動檢測技術(shù)，可以有效的減輕技術(shù)人員的工作量，提高維護維修的效率，降低維護維修的成本。

振動監(jiān)測技術(shù)可以定義為識別機械設(shè)備（機器或機組）運行狀態(tài)的一門綜合性的應(yīng)用科學(xué)，主要研究機械設(shè)備運行狀態(tài)的變化在故障診斷信息中的反映。其目的是通過對振動的測量評估設(shè)備的運行狀態(tài)是否正常進行檢測，并根據(jù)設(shè)備的振動變化趨勢預(yù)測其壽命，以實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)管理。

國華能源投資有限公司是國內(nèi)風電行業(yè)最早推廣振動監(jiān)測技術(shù)的公司之一，也是目前安裝規(guī)模最大的公司之一。國華公司于2008年開始引進振動監(jiān)測技術(shù)，在部分風電機組上試運行后，取得了較好效果，并于2010年開始大規(guī)模推廣，最初大規(guī)模引進的是GE公司況得實品牌的振動監(jiān)測設(shè)備，通過與廠家一起摸索與探討，制定出了較完善的技術(shù)方案與設(shè)備安裝工藝，為后續(xù)的持續(xù)推廣奠定了基礎(chǔ)。截止到2013年底，國華公司安裝的在線振動監(jiān)測設(shè)備的風電機組達到800余臺。通過對風電機組運行狀態(tài)的監(jiān)控，及時診斷出各類設(shè)備故障，極大的提高了風場計劃性維修的比例，節(jié)約了發(fā)電量及運營成本，取得了良好的效果。

案例分析

一、齒輪箱中速軸齒輪損傷

齒輪箱傳動比：1∶ 94.65；

齒輪箱結(jié)構(gòu)：一級行星，兩級平行軸；

故障現(xiàn)象：

齒輪箱在運行時振動較大，伴隨有規(guī)律的沖擊噪聲。

齒輪箱各測點振動幅值超標報警，在平行級低速軸部位振動幅值達到最大，該部位振動時域波形圖及頻譜圖如圖1、圖2所示。

圖1的時域波形在低速軸轉(zhuǎn)速為每分鐘64.56轉(zhuǎn)時測得，波形上沖擊信號非常地明顯，相鄰兩個沖擊信號的時間間隔為0.2109s，換算成頻率為4.741Hz，圖2為該部位在同樣轉(zhuǎn)速下的振動頻譜圖，相鄰兩光標的頻率差值為低速軸與中速軸嚙合頻率的邊帶頻率，同樣為4.741Hz，由此可知，4.741Hz的頻率為該轉(zhuǎn)速下齒輪箱故障信號的來源。

本次故障齒輪箱為一級行星，兩級平行軸結(jié)構(gòu)，各級平行軸齒輪齒數(shù)如表1所示。

圖1 齒輪箱低速軸振動時域波形

圖2 齒輪箱低速軸振動頻譜圖

表1 齒輪箱各級平行軸齒輪齒數(shù)

中速軸的轉(zhuǎn)速可由下式求得：式中：n2為中速軸轉(zhuǎn)速

n1為低速軸轉(zhuǎn)速

z1為低速軸齒輪齒數(shù)

z2為中速軸小齒輪齒數(shù)

圖1圖2中低速軸的實時轉(zhuǎn)速為每分鐘64.56轉(zhuǎn)，在上式代入各級齒輪齒數(shù)求得中速軸的轉(zhuǎn)速為每分鐘283.5轉(zhuǎn)，換算成頻率為4.725 Hz，與測得的4.741Hz基本吻合，由此判斷故障部位應(yīng)發(fā)生在中速軸上，中速軸每轉(zhuǎn)一周發(fā)生一次沖擊，符合這種特征的故障應(yīng)為齒輪損傷。在圖2中，低速軸與中速軸嚙合頻率的邊帶同樣為中速軸轉(zhuǎn)頻，表明損傷的為相互嚙合齒輪對中的中速軸齒輪，圖譜中沖擊信號明顯，嚙合頻率邊帶寬而高，且有固有頻率的干草堆現(xiàn)象，初步判斷本次故障為中速軸小齒輪存在斷齒。

風場技術(shù)人員對該齒輪箱進行開蓋檢查，確認了中速軸小齒輪的其中一個齒存在斷齒情況，斷齒長度約為整齒長度的二分之一，如圖3、圖4所示。

由于故障發(fā)現(xiàn)及時，風場聯(lián)合風電機組廠家制定了詳細的維修計劃，合理的利用小風季在機艙內(nèi)完成了中速軸的更換，避免了可能的因故障持續(xù)發(fā)展而造成的非計劃停機，節(jié)約了運行成本，將電量損失降到了最低。

圖3 中速軸齒輪斷齒部位

圖4 掉落的齒

根據(jù)國華公司的大量故障診斷經(jīng)驗，齒輪箱故障中，齒輪損傷故障居多，軸承故障相對較少。齒輪故障中，不同結(jié)構(gòu)的齒輪箱易發(fā)生故障的部位也有所不同。

風電機組中，常規(guī)的齒輪箱結(jié)構(gòu)有兩種，一種是一級行星，兩級平行軸結(jié)構(gòu)；一種是兩級行星，一級平行軸結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的易發(fā)生損傷的部位為：

一級行星，兩級平行軸結(jié)構(gòu)：高速軸齒輪、中速軸小齒輪。

兩級行星，一級平行軸結(jié)構(gòu)：高速軸齒輪、二級行星部位齒輪。

需要注意的是，兩級行星結(jié)構(gòu)中，二級行星部位的齒輪處于封閉環(huán)境，前后均有隔板遮擋，不易觀察，齒輪損傷容易被忽略，需有經(jīng)驗的風場技術(shù)人員結(jié)合該部位的振動趨勢及溫度、噪聲等因素進行分析判斷。

二、發(fā)電機軸承軸電流故障

發(fā)電機類型：雙饋異步；

輸入端軸承型號：SKF 6326；

故障現(xiàn)象：

機組運行時發(fā)電機輸入端振動較大，有異響，該處軸承溫度相比其他正常運行軸承高20℃－30℃。

輸入端的振動頻譜圖如圖5、圖6所示。

上面兩圖均為發(fā)電機輸入端振動加速度頻譜圖，實時轉(zhuǎn)速分別為每分鐘1086轉(zhuǎn)及每分鐘1103轉(zhuǎn)。

圖5 發(fā)電機輸入端振動加速度頻譜

圖6 發(fā)電機輸入端振動加速度頻譜

SKF 6326軸承的特征頻率如下：

內(nèi)環(huán)特征頻率： 4.86

外環(huán)特征頻率： 3.13

滾珠特征頻率： 2.19

保持架特征頻率：0.39

軸承故障頻率可用下式計算：

故障頻率＝特征頻率×軸轉(zhuǎn)頻

圖5的發(fā)電機實時轉(zhuǎn)速為每分鐘1086轉(zhuǎn)，軸承外環(huán)故障頻率按上式計算：

外環(huán)故障頻率（BPFO）＝3.13*1086/60，計算結(jié)果為56.653Hz，與頻譜上峰值頻率基本吻合，峰值諧波明顯，且有固有頻率的干草堆現(xiàn)象，表明軸承外環(huán)已有損傷。

圖6上有兩條明顯的峰值信號，兩信號頻率差值為100Hz，為兩倍外電網(wǎng)交流電頻率（FL），此為發(fā)電機存在電氣故障的特征。由此可初步判斷發(fā)電機輸入端軸承的外環(huán)已因軸電流放電造成了損傷。軸電流造成的軸承故障有非常明顯特征：被損傷部位有類似“搓衣板”樣的痕跡。

風場技術(shù)人員對該軸承進行了更換，將軸承解體后，外環(huán)故障情況如圖7所示。

圖中軸承外環(huán)部位“搓衣板”痕跡明顯，符合軸電流損傷的特征，驗證了故障診斷的準確性。

軸電流產(chǎn)生的原因是由于采用了變頻技術(shù)，或者電機制造中產(chǎn)生的不對稱，從而在電機轉(zhuǎn)軸兩端產(chǎn)生軸電流。風電機組的變頻器采用的是 PWM 的調(diào)制方式，功率器件在快速開關(guān)時不可避免地產(chǎn)生電壓尖峰，從而在發(fā)電機軸上形成軸電流。一般情況下，軸電流的幅值較小，達不到危害程度，但風電機組的發(fā)電機軸承均為滾動軸承，油膜較薄，如果電壓比較高，就會擊穿油膜，對軸承內(nèi)外圈與滾珠的接觸面造成損傷。

軸電流故障具有較強的隱蔽性和破壞性，故障發(fā)生時，軸電流在軸承內(nèi)外圈與滾珠的接觸面形成尖端放電現(xiàn)象，產(chǎn)生瞬間高溫融化接觸部位，破壞軸承，嚴重時損壞的軸承會將發(fā)電機軸抱死，導(dǎo)致不得不將發(fā)電機整體更換，造成重大損失。因此，通過振動監(jiān)測手段分析發(fā)電機故障時，如果頻譜中有兩倍電流頻率存在，應(yīng)引起重視，盡快排除故障。

在國華公司監(jiān)測到的風電機組機械故障中，發(fā)電機軸承故障的比例最高，占到所有故障的60%－70%，在發(fā)電機軸承故障中，軸電流故障又占到40%－50%的比例，對生產(chǎn)造成了較大的影響。國華通遼分公司對發(fā)電機軸電流現(xiàn)象進行了深入的分析研究，找到了一種較好的預(yù)防軸電流的方法，并經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證，證實方法可行，現(xiàn)作簡要介紹，可為各同行借鑒。

通過分析發(fā)現(xiàn)，僅安裝有一組接地碳刷的發(fā)電機產(chǎn)生軸電流故障的比例比安裝有兩組接地碳刷的發(fā)電機的比例要高出很多，原因不難分析，一組接地碳刷的導(dǎo)流性較弱，在風電機組運行過程中容易因振動而造成接地碳刷與軸的接觸不實，導(dǎo)致接地碳刷的接地功能失效，軸電壓急劇增加，迅速擊穿油膜，造成軸承的損傷，因此可考慮在只有一組接地碳刷的發(fā)電機上增加一組接地碳刷將軸電流分散導(dǎo)入接地，比如常規(guī)的接地碳刷一般安裝在非驅(qū)動端，則可在驅(qū)動端加裝接地碳刷，反之亦然。國華通遼公司在15臺正常運行的機組上加裝接地碳刷進行試驗，并對加裝前后的測量數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如下：加裝前，發(fā)電機驅(qū)動端電流在3.5A－5A之間，電壓在1.5v－2.5v之間，非驅(qū)動端電流在3A－4.5A之間，電壓為0，加裝后，驅(qū)動端電流在1A－1.5A之間，電壓降為0，非驅(qū)動端電流在1A－2A之間，電壓為0。由試驗可知，該方法切實可行。

三、齒輪箱隔振器共振故障

齒輪箱傳動比：74.92；

齒輪箱結(jié)構(gòu)：一級行星，兩級平行軸；故障現(xiàn)象：

圖7 軸承外環(huán)剝落

圖8 主軸承位振動速度頻譜圖

風電機組運行時的整體振動很大，但沒有明顯的噪聲現(xiàn)象。

機組主軸承、齒輪箱輸入端、行星輪大齒圈等低速部位測點振動超標報警，且各測點頻譜圖的特征相似，均在低于10Hz的頻率上有高幅值峰值信號，如圖8所示。

圖8為主軸承的振動頻譜圖，圖中最高峰值的頻率為3.706Hz，幅值為4.748mm/s，其他部位的振動頻譜圖與此類似，通過分析，主軸承特征頻率、主軸轉(zhuǎn)頻、葉片通過頻率等均不匹配該頻率值，但在對同一測點不同時間段的數(shù)據(jù)進行對比分析時，發(fā)現(xiàn)一個明顯特征：當主軸的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，該峰值所在頻率基本不變化。仍以主軸承為對象，將其在不同轉(zhuǎn)速下的頻譜綜合在一起，形成圖9所示圖形。

圖中橫坐標為頻率，縱坐標為振動幅值，每條曲線對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速下的頻譜，圖形顯示，在不同的轉(zhuǎn)速下，各曲線均在接近4Hz處有最高峰值，此為固有頻率的振動特征，由此初步判斷該頻率為某零部件的固有頻率，該故障為共振故障。

根據(jù)風電機組的設(shè)計規(guī)范，齒輪箱隔振器的固有頻率一般在3.5Hz－5Hz之間。該批次風電機組為2008年投運，運行時間較長，隔振器材料存在老化的可能性，為了驗證故障由隔振器的共振引起，對隔振器連接螺栓進行正向旋轉(zhuǎn)30度緊固處理，提高它的剛性，重新在相同轉(zhuǎn)速下對主軸承進行振動測量，頻譜圖如圖10所示。

隔振器螺栓緊固處理后，頻譜圖上在4Hz頻率處的幅值為3.584mm/s，相比處理前振動幅值降低了24.5%，起到了一定的效果，驗證了故障由隔振器共振引起的判斷。

隔振器的老化過程比較緩慢，故障不容易被發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的振動也容易被認為是其他信號的干擾，但風電機組長期在該狀態(tài)下運行，將加速設(shè)備的損傷，降低設(shè)備的使用壽命，因此風電場應(yīng)嚴格按照風電機組維護手冊對隔振器進行檢查、維護。

四、機組不對中故障

故障現(xiàn)象：

齒輪箱輸出端及發(fā)電機輸入端軸承溫度偏高，同時發(fā)電機輸入端有輕微漏油現(xiàn)象。

發(fā)電機輸入端側(cè)的振動頻譜圖如圖11所示。

圖11光標處的峰值頻率為29.46Hz，同時存在明顯的兩倍諧波頻率。當前發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為每分鐘1764轉(zhuǎn)，換算成頻率為29.4Hz，與光標處的峰值頻率吻合，峰值頻率應(yīng)為發(fā)電機的轉(zhuǎn)頻及其諧波，且為頻譜中的主要峰值分量，符合機組不對中的特征。

圖10 緊固隔振器螺栓后主軸承振動頻譜圖

圖11 發(fā)電機輸入端振動頻譜圖

對風電機組進行對中處理后，故障消失，振動超標報警狀態(tài)解除，軸承溫度也恢復(fù)正常。

不對中是旋轉(zhuǎn)機械最為常見的故障之一，旋轉(zhuǎn)機械故障中60%的故障與不對中有關(guān)。旋轉(zhuǎn)設(shè)備出現(xiàn)不對中故障后，在其運動過程中將產(chǎn)生一系列的不利于設(shè)備運行的動態(tài)效應(yīng)，例如設(shè)備的振動、聯(lián)軸器的偏轉(zhuǎn)、軸承的磨損和油膜失穩(wěn)、軸的撓曲變形等，嚴重時還會造成齒輪箱齒輪損壞、聯(lián)軸器斷裂等，危害極大。

風電機組的齒輪箱及發(fā)電機均由隔振器支撐，屬于彈性支撐，風電機組運行時，傳動鏈的振動相對較大，對聯(lián)軸器的對中易造成沖擊，降低對中的精度，另外，風電機組的機艙與塔筒構(gòu)造也可以看成是一個柔性支撐，塔筒的晃動也將加速不對中故障的產(chǎn)生。因此，風電機組的維護手冊中基本上都規(guī)定了對風電機組進行對中維護的周期，以免造成設(shè)備的損傷，但也有部分風電機組的維護手冊沒有相關(guān)內(nèi)容，這是不符合風電機組維護規(guī)范的。

這里簡單提一個風電機組對中時需要注意的細節(jié)，發(fā)電機兩側(cè)與聯(lián)軸器空間垂直的方向上各有一個螺栓，作用是頂住發(fā)電機，約束發(fā)電機的橫向移動。在進行對中時，必須將這對螺栓松開，讓發(fā)電機處于橫向的自由狀態(tài)，否則當對中完畢后，兩側(cè)螺栓的殘余應(yīng)力將使發(fā)電機逐漸恢復(fù)到對中前的狀態(tài)，降低對中的效果。

結(jié)語

風電機組的運行有其特殊性，運行時，轉(zhuǎn)速與功率都在不斷的變化，同時風電機組的高空作業(yè)特性也導(dǎo)致了它不能像火電廠一樣進行設(shè)備的日常巡檢，所以引進振動監(jiān)測技術(shù)用以持續(xù)監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)是很有必要的。目前振動監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)風電行業(yè)的推廣還處在起步階段，除了借鑒國外成熟的經(jīng)驗，還需要我們自己在實踐中不斷摸索，找出適合風電機組設(shè)備故障診斷的方法和管理模式，注重振動監(jiān)測專業(yè)人才的培養(yǎng)，最終達到指導(dǎo)運行維護、提高設(shè)備的可靠性和利用率的目的。

（作者單位：神華國華能源投資有限公司）

攝影：宋永新