褚欣慰、石 揚(yáng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈的動態(tài)性能直接關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組的壽命與結(jié)構(gòu)安全。近年來，隨著風(fēng)場事故頻發(fā)，分析機(jī)組傳動鏈系統(tǒng)的動態(tài)性能，變得越發(fā)重要，國內(nèi)外認(rèn)證機(jī)構(gòu)對系統(tǒng)傳動鏈的性能研究也越來越深入。本文結(jié)合中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司開展的有關(guān)工作，給出了風(fēng)機(jī)傳動鏈故障分析的通用方案，并對流程中各環(huán)節(jié)技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了簡要的說明。

近年來，隨著裝機(jī)總量的增加，風(fēng)場不斷發(fā)生機(jī)組事故，表明風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了事故高發(fā)期。圖1給出了華北電力大學(xué)某課題組對1246臺在役風(fēng)機(jī)2011 ～2012年間的故障統(tǒng)計(jì)情況[1]，從圖中可以看出，電氣子系統(tǒng)的故障次數(shù)較多，但這類故障修復(fù)容易，造成的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間相對較少。而就故障造成的累積停機(jī)時(shí)間和每次故障的平均維修時(shí)間來說，葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等幾大關(guān)鍵部件及風(fēng)機(jī)的傳動系統(tǒng)的故障，依然是需要關(guān)注的重點(diǎn)。

針對這一情況，中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司旨在服務(wù)業(yè)主、整機(jī)廠及保險(xiǎn)公司，通過多年來的技術(shù)儲備，并基于對行業(yè)的深刻了解，開展了一系列的風(fēng)場事故分析業(yè)務(wù)，這其中就包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器、塔筒以及法蘭等部件的事故調(diào)查服務(wù)。今年來，該公司更是走在行業(yè)前沿，推出了風(fēng)機(jī)傳動鏈故障分析的新業(yè)務(wù)。

故障分析流程

風(fēng)機(jī)的傳動鏈系統(tǒng)通常是指葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)及彈性支撐等部件（本文主要針對雙饋機(jī)組的傳動形式進(jìn)行說明，對于直驅(qū)型風(fēng)機(jī)等其他傳動鏈形式機(jī)組，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整）。對于傳動鏈系統(tǒng)，我們通常會關(guān)注它的動態(tài)特性，具體表現(xiàn)為振動、噪聲及共振問題。以這三個故障隱患為對象，本機(jī)構(gòu)建立了一套通用且系統(tǒng)的調(diào)查方法，通過數(shù)值仿真和現(xiàn)場檢測兩種手段，診斷故障機(jī)理，定位問題元件，從而給出故障發(fā)生的原因及維護(hù)建議。具體方案流程如圖2所示。

數(shù)值仿真

數(shù)值仿真主要從風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)角度入手，借助多體動力學(xué)仿真軟件，進(jìn)行傳動鏈的固有特性分析和動態(tài)響應(yīng)分析，從而甄別傳動鏈的共振源，并判斷各部件的振動問題及噪聲大小。

總的來說，風(fēng)機(jī)傳動鏈故障分析中的數(shù)值仿真工作主要包含以下

圖1 風(fēng)電場故障停機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖2 風(fēng)機(jī)傳動鏈故障分析流程圖

步驟：

建立柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)模型：數(shù)值仿真的原理是基于多體動力學(xué)，風(fēng)機(jī)傳動鏈?zhǔn)怯啥鄠€剛體和柔性體組成的系統(tǒng)，稱為柔性多體系統(tǒng)，其動力學(xué)微分方程為：

分析時(shí)，需要將復(fù)雜的風(fēng)機(jī)傳動系統(tǒng)模型簡化成為等效的動力學(xué)模型，這首先需要確定傳動鏈系統(tǒng)的動力學(xué)拓?fù)鋱D，再輸入各部件的剛度、質(zhì)量、慣性矩和阻尼值等參數(shù)，并通過力元連接各個部件，最終完成系統(tǒng)模型。

頻域分析：風(fēng)機(jī)傳動鏈系統(tǒng)的頻域分析，是在對系統(tǒng)動力學(xué)精確建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，從而得到系統(tǒng)的固有頻率值及振型，系統(tǒng)固有頻率的理論計(jì)算公式為：

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作轉(zhuǎn)速范圍廣，激勵頻率帶較寬，易發(fā)生共振，影響系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。因此，風(fēng)機(jī)傳動鏈的頻域分析的目的就是對潛在的共振點(diǎn)進(jìn)行篩選。通常這部分工作又順次分為三步：

1) 分別計(jì)算切入、額定、切出狀態(tài)下的傳動鏈系統(tǒng)模態(tài)；

2) 繪制能量分布圖，根據(jù)風(fēng)機(jī)傳動鏈系統(tǒng)在不同模態(tài)頻率下的振型及模態(tài)能量分布特性，篩選出具有扭轉(zhuǎn)振型且模態(tài)能量分布中扭轉(zhuǎn)方向?yàn)橹鞣较虻墓逃蓄l率；

3) 繪制坎貝爾圖，根據(jù)篩選出的固有頻率及傳動鏈系統(tǒng)激勵頻率繪制出工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的坎貝爾圖，交點(diǎn)即為傳動鏈系統(tǒng)的潛在共振點(diǎn)。

頻域分析的目的在于，對照風(fēng)機(jī)傳動鏈系統(tǒng)的模態(tài)能量分布和坎貝爾圖，以此進(jìn)行共振點(diǎn)的初步甄別。

時(shí)域分析：時(shí)域分析是在風(fēng)機(jī)的整個工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對傳動鏈系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)計(jì)算，得到系統(tǒng)的振動加速度和速度，從而進(jìn)一步甄別共振點(diǎn)，并對評價(jià)系統(tǒng)的振動和噪聲問題。通常這部分工作順次分為五步：

1) 識別傳動鏈系統(tǒng)外部激勵和內(nèi)部激勵，使風(fēng)機(jī)在一個驅(qū)動力矩的作用下使之速度掃過切入和切出的整個區(qū)間，同時(shí)此驅(qū)動力矩要考慮風(fēng)載的影響，即風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)；

2) 扭矩掃頻響應(yīng)分析，得到扭轉(zhuǎn)振動加速度和速度，從而繪制三維坎貝爾圖；

3) 定性共振點(diǎn)，為了最終確定頻域分析中甄別出的共振點(diǎn)是否存在共振危險(xiǎn)，進(jìn)一步對危險(xiǎn)部件的扭轉(zhuǎn)振動加速度進(jìn)行FFT變換，通過頻域和時(shí)域的分析綜合鑒別，在激勵源對應(yīng)的危險(xiǎn)頻率處是否有振動突然加劇的情況；

4) 評價(jià)振動水平，參照《NB/T 31004-2011 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測導(dǎo)則》[3]，針對風(fēng)機(jī)傳動鏈系統(tǒng)及各主要部件的振動加速度及速度進(jìn)行評價(jià)；

5) 評價(jià)噪聲水平，風(fēng)機(jī)傳動鏈系統(tǒng)的主要噪聲源為加速度噪聲，噪聲的理論計(jì)算公式為：

將響應(yīng)計(jì)算所得的加速度頻域響應(yīng)曲線進(jìn)行1/3倍頻程處理，即得到各點(diǎn)加速度級結(jié)構(gòu)噪聲的1/3倍頻程值。

仿真結(jié)果分析：通過以上數(shù)值仿真工作，對得到的仿真分析結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，可以揭示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，判斷機(jī)組在工作過程中是否存在共振現(xiàn)象，系統(tǒng)是否存在振動過大問題，及是否產(chǎn)生較大噪聲，并對現(xiàn)場檢測工作提供參考。

現(xiàn)場檢測

現(xiàn)場檢測工作主要是評價(jià)目標(biāo)風(fēng)機(jī)的健康狀況，借助振動測試儀，進(jìn)行傳動鏈的時(shí)域加速度信號采集，從而定位問題的部件。這部分工作可以參照《NB/T 31004-2011 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測導(dǎo)則》[3]進(jìn)行。通常包含以下步驟：

1) 確定測試位置，通過數(shù)值分析的結(jié)果基本可以定位風(fēng)機(jī)傳動鏈系統(tǒng)振動較大的元件，而在故障情況下，也可能由于系統(tǒng)個別元件損壞造成系統(tǒng)振功異常。因此，測試點(diǎn)的布置以齒輪箱為主，同時(shí)兼顧傳動鏈其他部件，可選取齒輪箱扭力臂、主軸承座及發(fā)電機(jī)支撐處；

2) 設(shè)置寬帶，風(fēng)機(jī)風(fēng)輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速較低，頻響范圍在低頻段，而傳動鏈系統(tǒng)的振動頻率主要集中在中高頻段，且頻率范圍較廣。因此，在測試工作中，需要對測試點(diǎn)的選取情況，參照數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果，設(shè)置合理的帶寬；

3) 執(zhí)行測試，測試前需要進(jìn)行振動基準(zhǔn)測試，由于風(fēng)載的強(qiáng)隨機(jī)性，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況較為復(fù)雜，因此，需要進(jìn)行較長時(shí)間的傳動鏈系統(tǒng)檢測；

4) 數(shù)據(jù)分析，振動測試儀通常為加速度傳感器，選取風(fēng)機(jī)長時(shí)間較為穩(wěn)定的工況下檢測采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過對加速度時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換等操作，可以得到振動、噪聲等參數(shù)的水平。再結(jié)合數(shù)值仿真計(jì)算的結(jié)果和各元件的固有頻率值，即可定位問題元件。

最后，結(jié)合數(shù)值仿真分析的結(jié)果和現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)，診斷出風(fēng)機(jī)傳動鏈系統(tǒng)的問題部件，并給出造成系統(tǒng)故障的機(jī)理解釋，從而對風(fēng)機(jī)的維修、檢查和維護(hù)措施給出建議。