風力發電機組異常振動測試與診斷分析

宋占勝

摘要：風能作為一種清潔能源，發展迅速。由于風電機組通常在野外，環境條件惡劣，而且容易發生故障，因此維護保養需要耗費大量的人力物力。我國在風機故障診斷方面開展了大量的研究，并取得了豐碩的成果。給出了各種狀態監測方法和信息融合診斷技術。這些研究大多基于數值計算和理論分析，并提出了各種控制措施。但由于風電機組的復雜性和運行環境的多變性，在設計之初就要考慮風電機組的振動特性，進行優化設計，并進行相應的試驗驗證，以避免出現異常振動。

關鍵詞：風力發電機組;異常振動測試;診斷

1研究概況

某風力發電機組電機整體通過4個隔振器彈性安裝在基座上，電機-隔振器-基座組成的電機系統與增速齒輪箱所在的塔筒基座通過8個螺栓縱向連接，該基座下部懸空，以齒輪箱安裝基座面為基準呈懸臂梁狀態。箱體上布置三條橫向加強筋，鐵芯與橫向加強筋通過4個點焊接剛性固定。發電機工作方式為水冷，通過左側面的進出水口循環，水箱安裝在電機頂部的箱體上。風力發電機運行轉速范圍為600rpm～1380rpm，正常并網發電轉速為900rpm～1200rpm。

2振動特性

2.1齒輪嚙合頻率

嚙合頻率是兩個齒輪轉動一個節面角所需時間的倒數，可由式（1）確定。

（1）

式中：n為主軸轉速即風輪轉速，rpm;z為齒數。

風電機組齒輪箱采用1級行星/2級平行軸傳動結構，如圖1所示。

第一級為行星輪系，行星齒輪架為輸入端，內齒圈固定，太陽齒輪為輸出端。主要參數有：太陽齒輪齒數Z2、行星齒輪齒數Z3、內齒圈齒數Z4。當一級行星輪系傳動比為I1，內齒圈轉速N4=0，太陽齒輪轉速N2=I1·n，行星齒輪轉速N3=n，即可計算出太陽輪、行星齒輪和內齒圈的嚙合頻率。

以此類推，容易得出中間軸及高速軸齒輪的嚙合頻率計算方法。

2.2軸承通過頻率

軸承的特征頻率與自身尺寸有關，計算公式如下：

內圈通過頻率：

外圈通過頻率：

滾動體特征頻率：

保持架固有頻率：

由公式及參數，便可求出理論軸承特征頻率，在實際應用過程中發現，計算得出的理論特征頻率與實際特征頻率極其接近。

3試驗臺架振動測試

3.1初步敲擊測試

靜止狀態下，在電機接線端一側的平面4個角點上布置4個法向加速度測點，力錘敲擊某角點位置，在10Hz～20Hz范圍內，出現2個峰值位于11.38Hz、17.7Hz。

3.2靜止狀態模態測試

靜止狀態下，在電機上表面、下表面、左側面、右側面和電機軸端，共布置30個振動加速度測點。錘頭敲擊電機右側面和上表面，分析電機各表面模態和整體模態結果。

敲擊結果峰值頻率為5.72Hz、8.9Hz、11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz。

11.2Hz對應的主振型以軸為主線左右平動，15.6Hz對應的主振型為上下表面平動，17.7Hz對應的主振型為彎曲、扭轉的耦合振動。

3.3升速測試

根據試驗臺架靜態敲擊模態試驗結果，進行600rpm～1200rpm的升速試驗。在11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz頻率附近對應的轉速670rpm、940rpm、1070rpm附近轉速以每10rpm為間隔加密測試，其余轉速以每30rpm為間隔測試。

試驗結果表明，試驗臺架的升速試驗過程中，所有測點振動較小，并未發生異常振動。其中，11.2Hz頻率成在升速過程中，只在670rpm有較大峰值，該頻率幅值隨轉速升高而下降。17.7Hz的頻率成分在所有轉速均有體現，在1060rpm轉速處達到最大峰值。

4風電現場振動測試

4.1第一風場現場測試數據分析

4.1.1電機靜止狀態模態測試結果分析

靜止狀態下，電機上共布置30個振動加速度測點，測點位置與試驗臺架模態測試相同。力錘橡膠錘頭敲擊電機左側面、上表面和前軸承端蓋表面，分析電機模態結果。

電機敲擊結果峰值頻率為5.72Hz、11.3Hz、15.6Hz、17.9Hz、53.8Hz。其中11.3Hz、15.6Hz、17.9Hz模態振型與臺架相同，53.8Hz對應的主振型為水平方向同步振動（左右電機表面彎曲振動）。

4.1.2電機運行狀態測試結果分析

電機運行狀態測試包括三種狀態：

（1）電機空轉升速測試;

（2）電機加勵磁不并網測試;

（3）電機并網發電測試。選擇電機左側面水平向測點和垂向測點作為分析的典型代表?，F場振動測試表明：電機空轉升速過程中，電機振動狀況良好。兩個方向的測點速度振幅隨著轉速升高變化而增大，最大振幅都不超過1mm/s。水平向測點主要頻率成分是1倍軸頻、17.75Hz（不隨轉速變化）、53.8Hz（不隨轉速變化）等。垂向測點主要頻率成分是1倍軸頻、17.75Hz（不隨轉速變化）、5倍軸頻等。轉子加勵磁后振動迅速增大，電機左右側面表面振感強烈，并網發電時也出現相同癥狀。

4.1.3風場測試初步結論

通過對10號電機上述三個不同工況的振動測試分析，可得出如下結論：

（1）電機空轉升速測試表明：電機-隔振器-安裝基座組成的電機系統在運行轉速范圍內整體沒有共振發生;

（2）電機加勵磁及并網測試表明：電機異常振動特征頻率為50Hz。為進一步驗證上述結論，對同一風場的2號電機進行了相同工況的振動測試。

4.2第二風場現場測試數據分析

通過對第一風場現場測試數據的分析，表明異常振動特征頻率為50Hz。第二風場開展兩方面的驗證：

（1）進一步驗證電機在50Hz附近的模態振型;

（2）通過對轉子施加不同的勵磁頻率，測試不同勵磁頻率下的電機響應。

4.2.1電機靜止狀態模態測試結果分析

在第二風場主要針對電機水平向的模態振型，在電機左右側面的三條水平向加強筋上增加了測點，并增加了電機前后軸承的測點。

4.2.2電機運行狀態測試結果分析

通過變頻，分別施加32.5Hz和60Hz的勵磁電流，測試結果表明振動正常。為施加32.5Hz左右的勵磁電流（200A增加到270A）時電機水平向測點的振動響應?？梢钥闯鏊俣阮l譜幅值極小，最大不超過0.1mm/s，遠小于50Hz勵磁時的15mm/s的速度振幅。

對比正常電機和異常電機的差異，選擇某正常并網發電機組進行了振動測試。最大振幅約為1mm/s，主要為電機軸頻17.75Hz。

結論

完成了某型風力發電機組在試驗臺架、現場的轉子系統和整機振動特性測試。針對異常振動電機進行了診斷，提出了改進建議，并對改進前后的轉子特性進行了試驗。改進后的風電機組均已投入正常使用，表明改進建議合理。

參考文獻：

[1]鞠彬，楊振山，朱述偉.基于振動分析技術的風力發電機組軸承故障診斷[J].山東電力技術，2017，7（44）：65-72.

[2]李學平，卓沛駿，羅勇水，等.風力發電機組氣動不平衡振動監測研究[J].機電工程，2018，35（9）：944-949.

[3]李岳峰，趙志剛.基于振動信號分析的風機傳動系統故障診斷案例研究[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2017，13（04）：296-301.

[4]孔德同，賈思遠，王天品，劉慶超.基于振動分析的風力發電機故障診斷方法[J].發電與空調，2017，38（01）：54-58.