风力发电机组振动监测技术应用与实践
刘明先
（国华能源投资有限公司，北京100007）
已跃居世界第一.但由于缺乏关键技术，盲目扩大风电场建设，加之环境恶劣，国产风电机组故 摘要：当前，风力发电已成为世界新能源发电中发展最迅速的行业，我国风电总装机容量障发生率明显高于国外，这不仅增加了风力发电机组维修费用，也大大降低了发电可靠性.开展风电机组的运行状态监测，可以提前发现设备运行隐患，实现风力发电机设备的计划检修，是降低生产维修成本、防止重大事故发生的有效措施.
关键词：风力发电机；振动监测；应用
中图分类号：TP23.TF83文献标志码：B文章编号：1009-3230（2016)11-0052-04
Application andPracticeofVibrationMonitoringTechnology forWindTurbine
LIU Ming = xian(China Energy Investment Co. Ltd. Bejing 100007 China)
Abstract:At present wind power has bee the world’'s most rapid development of new energypower industry China’s total installed capacity of wind power has been ranked first in the world. Butbecause of the lack of key technologies blindly expand wind farm construction coupled with the harsh environment failure of domestic wind turbine was significantly higher than that in foreigncountries which not only increases the wind turbine maintenance cost but also greatly reduce thereliability of power generation. To cay out the operation condition monitoring of the wind turbine itcan find the hiden trouble of equipment operation in advance and realize the plan maintenance of the wind turbine generator equipment. It is an efeetive measure to reduce the cost of production andmaintenance and prevent the ocurrence of major accidents.
Key words: Wind power generator; Vibratin monitoring: Application
速增长需要，我国大批新型风力发电机组匆忙投人规模化生产运行，如此短的时间，不可能准确地检验机组的质量，考察运行可靠性，这无疑增加了生产技术风险和机组不正常运行导致的经济风险.另外，风电场所处的环境和气候条件恶劣，使发生故障的潜在可能性和方式也相应增加，一旦这些设备发生故障面失效，将造成巨大的经济损失.
0引盲
截止2015年底，我国风电装机容量达到14.5GW，为全球风电装机规模第一大国.目前，随着业界对风电机组单机产能和风场风能利用率要求的提高，以及对单机容量需求的不断增大，已投人运行风电机组的单机容量持续增大，同时海上风力发电机组和风电场的开发迅速，进一步加快了大容量风电机组的发展.为满足风电市场高
1风力发电机组振动状态监测系统应用介绍
风力发电机组振动监测是根据所监测风电机
组的类型，选择不同的监测部位，监测风电机组振 动状态的改变，评估风电机组的状况，早期发现并跟踪设备故障的一种方法.主要目的是利用各种监测方法从检测到的信息中判断被测对象的运行状态，在部件出现故障之前给予警告、报警，通过事前控制措施或更换零部件，避免设备损坏进一步恶化，同时利用振动监测分析，能够有效发挥机械部件潜力，避免过剩维修，起到降低维修费用和提高设备有效利用率的目的.由于风电机组在高空运行且齿轮箱等大部件的机械结构复杂，应用振动监测的意义更加重大.
下面从风力发电机组主要机械部件故障机理、在线振动监测系统介绍、应用案例分析三个方面进行详细闸述.
1.1风力发电机组主要机械部件故障机理
风力发电机组的机械故障大多由于振动造成.如齿轮箱内部不对中或润滑问题，会使齿轮旋转啮合时受力不均，产生振动，最终发生故障：轴系和发电机也属于转动或高速旋转部件，由于生产误差或装配造成的不对中，都十分容易使其产生振动，从面严重影响轴承支撑，使其自身更易产生疲劳，影响寿命导致故障.
（1）齿轮箱
齿轮箱故障的主要原因有：①由于安装或使用不当，产生输人/输出轴的不对中，与联轴器发生错位，造成输人/输出轴承的磨损：②由于齿轮 箱内部润滑不良，造成齿面磨损，或输人/输出轴承润滑不好，造成轴承过早磨损；③由于大气温度过低，润滑脂未得到适当加热面形成凝固，从而影响润滑脂到达需要润滑的表面，造成表面磨损；④在高温环境下，若润滑脂散热不好，经常过热，使润滑脂提前失效，损坏机械表面.这些都会影响齿轮箱正常工作，阻碍功率传递，产生噪声，造成齿面严重磨损或断裂、轴承内外圈或滚珠损坏，缩短齿轮箱的工作寿命，严重的将迫使风力发电机组出现停机故障.
（2）轴系故障
动发电机转子运动，发出电能.低速轴/高速轴采用轴承继承，通过联轴器与其他部件连接.若低速轴/高速轴在连接处的轴线不对中、产生偏差，其运转时会产生很大的扭力，追使联轴器和低速轴/高速轴都发生形变，进面引起轴承受力疲劳甚至断裂.
（3）发电机故障
风力发电机组利用发电机将机械能转化为生产、生活需要的电能，因此发电机输人端吸收机械能，通过转子的旋转输出电能，馈送到电网.发电机的输入端也存在对中问题；当发电机的运动超过额定转速，将会损坏其转子和定子线圈；而若转子和定子线圈的绝缘性不好，则会造成线圈的短路，影响发电的正常工作.
由以上故障机理分析可以看出，风力发电机组大部件损坏故障大多由振动引起，由于大部件故障处理耗费时间长且过程繁琐，如果能对振动进行在线监测，将十分有利于故障率的降低，节约经济成本.
1.2风电机组在线振动状态监测系统
开展风力发电机组在线状态监测，首先要准确地获取机组的状态信息，需采用多种有效的手段来获取和传输测量信号，但是受成本和技术的限制，不可能采用众多的传感器，因此需要对监测传感器进行优化布置研究，制定风力机状态监测方案，确保能最优地反应出机组的状态信息.
（1）系统构成
振动监测系统主要是在风力发电机组预先选定的位置安装振动传感器和转速传感器，传感器将其采集的信号通过带编织屏蔽电缆接人到1台智能采集单元，将处理完的数据通过无线网络发送到事先装有分析软件的服务器中，客户可通过多种方式登录服务器察看运行数据，以便进行深人分析.
(2）测点布置
对于风力发电机组的振动监测，主要集中在轴系包括低速轴和高速轴低速轴把轮毂的机轴、齿轮箱和发电机上.针对风力发电机组的特 传动链上，而针对传动链，监测又主要集中在主械能传递给齿轮箱，由齿轮箱带动高速轴旋转，拖定应用，在主输承、一级行星轮大齿照处转速较
低，需要选用低频加速度传感器，其他位置选用通用型加速度传感器.对于当前主流的两种齿轮箱类型，通用测量点布置要求如下：
①两级行星，一级平行轴结构
主轴前轴承1个（径向）、1级行星轮大齿圈1个（径向）、二级行星轮大齿圈1个（径向），齿轮箱低速轴输出端1个（径向）、齿轮箱高速轴输出端2个（轴向和径向）、发电机驱动端2个（轴向和径向）、发电机非驱动端1个（径向）.转速传感器安装在齿轮箱高速轴输出端位置.
②一级行星，两级平行轴结构
向）、行星轮大齿圈1个（径向）、齿轮箱低速轴输 主轴承1个（径向）、齿轮箱输人轴1个（径出端1个（径向）、齿轮箱高速轴输出端2个（轴向和径向）、发电机驱动端2个（轴向和径向）、发电机非驱动端1个（径向）.转速传感器安装在齿轮箱高速轴输出端位置.
（3）分析功能描述
主要是通过测取齿轮箱、发电机的整体总振值，根据ISO10816标准评估总体设备状况.主要技术方法有：
①采用频谱分析技术，对齿轮箱、发电机的平衡、对中、连接、齿轮啥合等状态进行评估.常规的频谱分析技术，皆采用“窄带报警”，在特定频段范围内进行幅值报警，借助人工进行分析.
②采用时域分析技术，可以得到振动加速度、速度、位移、Crest峰值因子、峭度、歪度，以及4个等级的摩擦因子，连同预设的征兆匹配指标，按照ISO10816标准，综合在一张图表上，把复杂的人工分析变成简单的专家诊断结果.
③采用频域征兆拟合技术，例如，对齿轮箱一级齿轮的啮合频率及边频进行拟合，对各级拟合值进行均方根运算，从面得到齿轮嗮合的总征兆值，再根据ISO标准，直接给出“绿、黄、红”专家评估.
方法结合，可直接得到不平衡、不对中、松动、齿轮 将振动时域分析与高效的征兆评估频域分析啮合不良、轴承外圈、内圈、滚动体、保持架故障等数十个征兆评估值及“绿、黄、红"状态，从而达到
综合评估与智能诊断的目的.
④变速变载的智能评判
由于风力发电设备工作在多种工况下，不能采取统一的评判标准，智能评估可采取变速变载分析技术，根据风速、转速、功率等参数进行相关性评估，智能调整评估标准，并做出归一化的评估值，从而得到可靠的分析结论.
由以上功能描述可以看出，在线系统可以预测分析风力发电机组如下故障及征兆：动平衡、对中、轴承问题、齿轮啮合问题、轴弯曲、机械松动、电气故障、共振问题.
1.3案例分析
1.3.1齿轮箱齿轮啮合故障诊断案例
某风电场16#风力发电机组运行过程中，通过在线监测系统检测，发现齿轮箱有异常，各测点均可见太阳轴转频的冲击，波形模拟听诊周期性噪声异常清晰.工作分析过程：人工听诊查找冲击噪声来源，择机检查齿轮箱和太阳轴相关的各级齿轮啮合情况，必要时还应检查太阳轴不同部位的径向跳动，以确认是否存在齿轮损坏情况.
（1）加速度及频谱图，如图1-2所示.
图1齿轮箱低速轴输出端-水平频谱图
图？齿轮箱高速轴输出端-垂直频谱图
(2）检测结果验证
经图1和图2的波形图分析，两幅图谱中均
起.需要加强监测，注意其发展趋势，在检修时重做对中处理.
存在明显的冲击信号，幅值较高，且冲击频率间隔均为1.833Hz，与齿轮箱低速轴转颊相匹配，由此可得出初步结论如下：齿轮箱太阳轴相关的低速级齿轮响合异常，低速轴齿轮存在损伤.
现场对机组进行停机后，打开齿轮箱盖，检查发现齿轮箱低速轴齿轮损伤，这个机组存在齿轮啮合故障，验证了分析结论.
1.3.2齿轮箱与发电机不对中诊断案例
37#风力发电机组运行平稳，发电机输人端轴承谱图中存在轴承特征频率，同时存在有齿轮箱与发电机不对中现象，其余测点无异常.
图4发电机自由端-水平方向频谱图
2 结束语
下面对部分主要谱图进行分析：
风机振动监测是风机状态监测的重要组成部分，与风机故障诊断息息相关.通过监测风机关键部件的振动情况，可以掌握风机运行状态情况，判断部件运行是否良好，对风机的故障诊断提供了重要依据.主要结论如下：
（1）发电机输入端轴向频谱图
发电机的输入端轴向频谱图如图3所示.从图中可看出，解调频谱中存在轴承外环特征频率.鉴于该轴承特征频率自2010年8月安装本在线系统后即存在，且幅值一直稳定无明显变化，因此建议加强其润滑及其它保养工作，继续观察其发展趋势.
（1）通过对齿轮箱，轴系系统、发电机故障机理分析，说明开展在线或离线振动监测是风电机组机械部件故障诊断的必要手段.
（2）通过在线振动监测中系统构成、测点布置及功能分析，说明当前的振动监测技术已相对成熟.
（3）以齿轮箱为重点，对监测系统进行了应用举例，验证了振动监测在实际应用中的效果.
参考文献
[1]尚振国，风力发电机增迪器齿轮修形技术研究[D].大连：大连理工大学，2010.[2]王文杰.风电机组增速器斜齿轮啮合载荷及齿向修形的研究[D].大连：大连理工大学，2008.[3]张和平，张志室，刘惠明，大型风力发电齿轮箱设计[4]王瑞闻，林富洪，风力发电机在线监测与诊断系统 技术及软件开发[C].重庆，2005：1-7.研究[J].华东电力，2009 37（1）：191-193.
图3发电机输入端-轴向频谱图
（2）发电机自由端水平方向频谱图
发电机自由端水平方向频谱图如图4所示.从图中可以看出，60Hz之后的频谱图幅值较稳定，且幅值不大.可以推测25.013HZ为发电机转子轴旋转频率，其二倍颊稍大，为对中不良引
