內(nèi)蒙古華電輝騰錫勒風(fēng)力發(fā)電有限公司 張凱 李忠善 王志東

內(nèi)蒙古華電二連浩特新能源有限公司 肖盛忠

華電電力科學(xué)研究院 孔德同

1 前言

風(fēng)電機組工作在變速變載惡劣工況下，導(dǎo)致主傳動系統(tǒng)故障率居高不下。振動分析作為風(fēng)電機組常用的檢測手段，具備較好的通用性。然而，由于風(fēng)電機組主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是齒輪箱，一般為多級傳動，傳動比達到100左右，內(nèi)部的多對齒輪嚙合導(dǎo)致信號相互耦合，因此，在利用振動數(shù)據(jù)分析主傳動系統(tǒng)劣化趨勢時，需要進行詳細的分析及診斷。

2 測試背景及方案

內(nèi)蒙某風(fēng)場98號風(fēng)機于2016年10月份出現(xiàn)異常振動。更換軸承之后9天，機組振動更加強烈。針對該機組出現(xiàn)的問題，現(xiàn)場采集該風(fēng)電場26、30、65、93和98共5臺風(fēng)力發(fā)電機組的振動信號，并對振動信號進行分析以診斷98號機組故障。

圖1 華銳SL82-1500kW風(fēng)力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)簡圖

該機組型號為華銳SL82-1500，主傳動系統(tǒng)由葉片、齒輪箱、發(fā)電機等組成。機組機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。齒輪箱、發(fā)電機參數(shù)信息如表1所示。

表1 齒輪箱發(fā)電機參數(shù)

測試方案如下：

1）針對測試對象發(fā)電機進行測試。采集發(fā)電機驅(qū)動端軸承振動信號和自由端軸承振動直信號，同步采集。

2）針對測試對象齒輪箱進行測試。采集齒輪箱輸出軸振動信號和齒輪箱內(nèi)齒圈振動信號，同步采集。

3）針對測試對象齒輪箱進行測試。采集齒輪箱中間軸振動信號和齒輪箱內(nèi)齒圈振動信號，同步采集。

4）為綜合評估發(fā)電機振動與齒輪箱振動的相互傳遞，針對齒輪箱和發(fā)電機進行聯(lián)合測試。采集齒輪箱輸出軸振動信號和發(fā)電機驅(qū)動端軸承振動信號，同步采集。

5）針對主軸軸承和齒輪箱進行聯(lián)合測試。采集主軸軸承振動信號和齒輪箱內(nèi)齒圈振動信號。

3 數(shù)據(jù)分析

為了全面評估風(fēng)電機組的機械部件運行狀態(tài)，利用時域分析、頻域分析、時頻分析、綜合分析等方法，多角度評估風(fēng)電機組運行狀態(tài)。

3.1 時域分析

時域分析是機械故障診斷的常用方法。通過正常和故障信號的振動幅值對比，可以大體了解機械設(shè)備的故障嚴重程度。選取5個機組發(fā)電機驅(qū)動端軸承垂直振動信號進行對比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 發(fā)電機驅(qū)動端軸承垂直振動信號對比結(jié)果

從時域信號可以看出，98號風(fēng)機振動最大幅值高達50g，明顯高于其他4臺風(fēng)機?，F(xiàn)場采集時98號風(fēng)機振感強烈，振動噪聲較大。由振動強度整體分析，初步判斷98號風(fēng)機異常。

發(fā)電機故障通常包括電氣故障及機械故障。由于此次對98號風(fēng)機測試時并未并網(wǎng)，發(fā)電機空轉(zhuǎn)，因此，排除98號風(fēng)機發(fā)電機諧波共振等電氣故障，初步確定98號風(fēng)機故障為機械故障。

為進一步分析98號風(fēng)機振動嚴重原因，對98號風(fēng)機不同測點的振動信號進行對比，以確定機組故障位置和各部件振動信號之間的相互關(guān)系。選取齒輪箱輸出軸和發(fā)電機驅(qū)動端軸承聯(lián)測振動信號進行對比，比較結(jié)果如圖3所示。

圖3 98號齒輪箱和發(fā)電機聯(lián)測信號對比

其中，通道1為齒輪箱輸出軸垂直振動信號，通道2為齒輪箱輸出軸軸向振動信號，通道3為發(fā)電機驅(qū)動端軸承垂直振動信號，通道4為發(fā)電機驅(qū)動端軸承軸向振動信號。

從對比結(jié)果可以看出，齒輪箱輸出端垂直和軸向振動信號最大幅值僅為發(fā)電機驅(qū)動端垂直和軸向振動信號最大幅值的1/10左右。因此可以確定：

1）98號機組振動噪聲主要來源為發(fā)電機振動。

2）齒輪箱和發(fā)電機之間振動信號相互影響較小。

通過以上分析，可以大體確定98號機組故障源為發(fā)電機。因此下面著重對發(fā)電機驅(qū)動端軸承垂直振動信號進行分析（圖2通道3信號），以確定故障產(chǎn)生原因。

3.2 頻域分析

頻譜是信號在頻域的重要特征，它反映了信號的頻率成分以及分布情況。頻域分析是用來處理平穩(wěn)信號的常用方法。通過傅里葉變換，將時域振動信號在頻域上進行刻畫，可以更直觀地展現(xiàn)振動信號中的周期性成分。

首先對全時段振動信號進行傅里葉變換得到其頻譜如圖4所示。

圖4 全時段頻譜 ：(a)0-10000赫茲和(b) 0-1000 赫茲。

由于整個時段轉(zhuǎn)速的變化，原始振動信號呈現(xiàn)非平穩(wěn)特點，即變轉(zhuǎn)速情況下振動信號為非平穩(wěn)信號，導(dǎo)致頻譜中頻率成分“拖拉”現(xiàn)象嚴重，幾乎看不到單一、穩(wěn)定地頻率成分。傳統(tǒng)的傅里葉變換方法在對該組數(shù)據(jù)分析中失效。針對該組信號的非平穩(wěn)特性，下面采用時頻分析方法，從時域和頻域同時對信號進行觀察，以全面了解信號特性。

3.3 時頻分析

對于非平穩(wěn)機電設(shè)備的振動信號分析，必須采用既能夠反映時域特性又能夠反映頻域特性的方法，才能提供信號的特性全貌。短時傅里葉變換用一個在時間上可滑移的時窗來進行傅里葉變換，從而實現(xiàn)了同時在時間域和頻率域上對信號的局部特性進行描述。

采用短時傅里葉變換對98號機組發(fā)電機驅(qū)動端垂直振動信號1～200秒內(nèi)的數(shù)據(jù)段進行分析，結(jié)果如圖7所示。其中縱坐標代表頻率，橫坐標為時間，白色條紋亮度為對應(yīng)頻率的振幅（能量）。因此，時頻分析可將信號在時間、頻率、幅值進行三維刻畫，克服單一的時域分析及頻域分析的缺點。

圖5 98號機組短時傅里葉變換結(jié)果

由圖5可以看出，時頻圖中存在明顯的諧波分量（如等間隔的白色條紋）。對各諧波分量進行跟蹤，可大體得到發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化過程：從數(shù)據(jù)采集時刻0開始，發(fā)電機轉(zhuǎn)速緩慢增加，到90秒左右，轉(zhuǎn)速增加速度加快，在105秒左右升高到一定值保持一段時間不變，130秒左右突然下降然后上升，165秒之后迅速下降直至停機。為了與正常機組時頻圖結(jié)果比較，現(xiàn)選取正常機組65號作為比較對象，65機組短時傅里葉變換結(jié)果如圖6所示。

圖6 65號機組短時傅里葉變換結(jié)果

對兩個機組短時傅里葉變換結(jié)果進行對比分析可以得到以下有用信息：

可大體得知發(fā)電機轉(zhuǎn)速波動情況，這為下一步的近似平穩(wěn)信號時間段的選擇提供了依據(jù)。

98號故障機組時頻圖中能量主要集中在高階諧波分量上，轉(zhuǎn)頻并不是很明顯，65號正常機組時頻圖中能量主要集中的轉(zhuǎn)頻及其低階諧波上。

98號故障機組隨著轉(zhuǎn)速的升高，能量逐漸向更高階諧波分量移動，而65號正常機組在高轉(zhuǎn)速下能量依然集中在200赫茲以下的諧波分量上，高頻區(qū)域能量很小。

在98號機組中，350赫茲和530赫茲左右存在兩條明顯的高亮頻帶，猜測原因可能是這兩條頻帶為電機系統(tǒng)的共振頻帶，由于電機的振動激發(fā)起了整個系統(tǒng)的共振。

3.4 綜合分析

為了更直觀地展現(xiàn)振動信號的頻率成分，通過觀察時頻圖（圖5），由于98號機組108～110秒時間段的時頻圖振動能量較大，且轉(zhuǎn)速相對平穩(wěn)，因此，選取108～110秒時間段數(shù)據(jù)進行分析。其時域波形和頻譜如圖7所示。從時域波形可以看出，振動信號中存在明顯的周期性成分，周期時間大約為0.063秒，對應(yīng)頻率為15.8赫茲，與此時轉(zhuǎn)頻接近。頻譜中出現(xiàn)79赫茲、158.5赫茲、237.5赫茲和317赫茲等明顯頻率成分，分別為轉(zhuǎn)頻的5、10、15和20倍諧波。

圖7 98號機組近似平穩(wěn)信號時域波形和頻譜

98號機組原始信號頻譜中，400～1000赫茲頻帶存在大量振動成分，其他機組振動信號在此頻帶幾乎無振動成分。大量高頻振動成分初步分析是系統(tǒng)共振頻率，初步分析原因為發(fā)電機內(nèi)部故障導(dǎo)致系統(tǒng)共振。

為了分析系統(tǒng)共振原因，對高頻共振頻率進行分析。采用共振解調(diào)技術(shù)對原始信號進行處理。

常用的共振解調(diào)技術(shù)為采用譜峭度對共振頻帶進行選擇，然后對選擇的共振頻帶進行濾波，對濾波后信號采用希爾伯特變換解調(diào)出低頻調(diào)制成分。

共振頻帶選擇結(jié)果如圖8所示，選擇共振頻帶中心頻率為5625赫茲，帶寬為1250赫茲。將共振頻帶信號進行濾波處理得到濾波信號，然后對濾波信號進行包絡(luò)解調(diào)得到解調(diào)譜，結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，經(jīng)濾波處理之后，共振頻帶的信號沖擊成分更加明顯，但是沖擊成分出現(xiàn)的周期信息不明顯。解調(diào)譜中可以明顯看出16赫茲，79赫茲和158.5赫茲頻率成分，分別對應(yīng)轉(zhuǎn)頻、5倍諧波和10倍諧波分量，其中5倍諧波和10倍諧波分量與頻譜成分對應(yīng)。

圖8 共振頻帶選擇結(jié)果

圖9 濾波信號和包絡(luò)譜

3.5 互相關(guān)分析

為進一步分析發(fā)電機和齒輪箱振動信號的相互關(guān)系，現(xiàn)對齒輪箱輸出端垂直信號和發(fā)電機驅(qū)動端軸承垂直振動信號進行互相關(guān)分析。各機組齒輪箱振動與發(fā)電機振動的互相關(guān)函數(shù)如圖10所示，互功率譜如圖11所示。

正常機組互功率譜中，轉(zhuǎn)頻成分相當明顯。而98號故障機組只出現(xiàn)了79.25赫茲和158.5赫茲，分別為轉(zhuǎn)頻16赫茲的5倍和10倍頻，并未出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻成分，主要原因是由于98號風(fēng)電機組發(fā)電機驅(qū)動端振動信號中基頻成分調(diào)制了共振頻帶，導(dǎo)致頻譜中沒有基頻成分，進而互功率譜中沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻成分。

4 分析總結(jié)及下一步建議

圖10 各機組互相關(guān)函數(shù)

圖11 各機組互功率譜

針對98號機組振動異常現(xiàn)象，對機組振動信號進行分析以判定故障產(chǎn)生原因。首先采用時域分析方法通過對比5個機組的振動信號幅值確定98號機組振動幅值明顯超標。然后采用傳統(tǒng)頻域分析方法對全時段信號進行分析，由于全時段信號轉(zhuǎn)速變化的影響，傳動頻域分析方法無法對該組數(shù)據(jù)進行有效處理。

因此，采用時頻分析方法對振動信號的時頻特性進行分析，在此基礎(chǔ)上確定測試時機組轉(zhuǎn)速變化的大體規(guī)律。截取小段近似平穩(wěn)信號進行頻譜分析和包絡(luò)譜分析，對比不同轉(zhuǎn)速下的頻譜及包絡(luò)譜，利用互相關(guān)分析，最終得到以下結(jié)論：

通過對發(fā)電機和齒輪箱聯(lián)測信號進行同時分析，發(fā)現(xiàn)齒輪箱振動信號幅值僅為發(fā)電機振動信號幅值的1/10左右，因此可以斷定發(fā)電機振動異常并非齒輪箱振動影響造成，而是電機本身的原因。

98號機組振動信號頻譜中不存在明顯轉(zhuǎn)頻成分，說明發(fā)電機的強烈振動并非由于不平衡引起，據(jù)此可以排除不平衡故障。

98號機組振動信號頻譜中并未出現(xiàn)明顯的軸承故障特征頻率，因此電機的強振動并非由于軸承故障所致。

98號風(fēng)機高頻振動成分較多且能量較大，初步判斷發(fā)生系統(tǒng)共振。一般情況下，軸承故障引起機組共振較為常見。然而通過包絡(luò)分析，未發(fā)現(xiàn)軸承故障。此外，98號機組原始信號頻譜和包絡(luò)解調(diào)譜中都明顯存在轉(zhuǎn)頻的5倍頻和10倍頻，據(jù)此推斷電機故障可能存在于產(chǎn)生5階諧波分量的部件上，且故障導(dǎo)致發(fā)電機共振，因此發(fā)電機整體振動強烈，遠遠超過其他機組發(fā)電機振動信號幅值。

根據(jù)以上診斷結(jié)果做出如下建議：

由于測試條件為非并網(wǎng)測試，排除98號發(fā)電機電氣故障原因，初步判斷導(dǎo)致98號風(fēng)機振動偏大原因為機械故障。

以上診斷結(jié)果判定98號發(fā)電機并不存在不平衡現(xiàn)象，因此發(fā)電機無需進行動平衡。

電機強振動噪聲產(chǎn)生的根本原因并非軸承故障所致，但是如果長期在強振動條件下工作，很可能引起各零部件故障的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致軸承或是其他零部件故障的發(fā)生。通過簡單更換軸承等單個零部件達不到根除故障的目的。

發(fā)電機振動嚴重超過正常值原因可能是發(fā)電機內(nèi)部故障引起的系統(tǒng)共振，導(dǎo)致振動強烈。建議會同發(fā)電機廠家，就系統(tǒng)振動原因做進一步探討，必要時應(yīng)對電機進行返廠維修，以檢查發(fā)電機內(nèi)部故障情況。