（华能哈密风力发电有限公司 新疆哈密 839000）
摘要：风力发电机组振动状态监测是根据所监测风电机组类型，选择不同的监测部位，监测风电机组振动状态的改变，评估风电机组的状态，早期发现并跟踪设备故障的一种方法。加强对风电机组的状态监测与分析，作为保障机组可靠运行和寿命管理的重要手段，在风电领域越来越受到重视。根据风电机组结构特点与运行状况的特殊性，重点监测风电机组主轴承、齿轮箱、发电机的振动特征，为解决风电机组实际运行状态监测和故障诊断，提供了有效的技术支持和保障。
关键词：风力发电机组振动状态监测；主轴承、齿轮箱、发电机振动分析
目前，随着我国逐步向环境友好型社会发展思路的转变，清洁能源越来越受到重视。风力发电已经日益受到政府、企业和用户各方面的关注，特别是大规模的风电并网已经成为一种趋势，新型风电场的容量在电力系统中的比重在增加，风电场在电力系统中的运行价值也在日益显现，对风电机组安全稳定运行提出更高的要求。随着风电机组低速载重轴承、齿轮箱、发电机等组成部件随运行时间延长、工况交替变化都可能出现各种失效故障，为避免恶性故障的产生，同时最大限度的减少维修成本，就必须在这些部件进入加剧磨损期前通过维护措施延长其使用寿命，并在其即将损坏前及时更换。因此加强对风电机组振动的监测，及时发现故障隐患、快速分析、诊断、处理故障，对保障风电机组安全运行有重要意义。
1 风力发电机组振动监测系统
我场采用阿尔斯通ALSPA Care Drivetrain风力发电机组振动监测系统，ALSPA Care Drivetrain系统由多台数据采集器DAU，交换机或路由器，一台服务器构成，系统采用B/S架构，它将安装在风电机组上的振动传感器信号送给DAU数据采集器，处理、分析数据后，将数据以各种丰富的图谱形式展示在客户端，使用人员能够通过web浏览器登陆Drivetrain系统查看监测数据，分析机组的运行状态。
风电机组的振动测量主要分为启机、亚同步、超同步这三个工况，可以根据实际来调整风电机组振动报警阀值，发电机转速0-600转为风电机组启动过程，主要测量各轴承座附近的振动情况；发电机转速600-1000转时处于亚同步状态，由于振动与负荷相关，功率越大，振动越高为防止运行中误报，则在1000-1200转增设工况三，针对风电机组运行状态调整报警阀值。
在观察机组升速过程中的振动情况，尤其是通过临界转速区时主轴承、增速齿轮箱、发电机转子振动是否超标；转速到达临界转速附近时，转子往往出现较大的共振振幅，如果轴系存在质量不平衡时振动会很大甚至超标，因此监视临界转速共振振幅是机组振动评价的重要依据。
观察机组高转速区及带负荷后振动情况，振动与负荷相关，功率越大，振动越高。风电机组在一定的高转速区间内均可以并网发电，监测此时主轴承、增速齿轮箱、发电机转子振动是否合格，其振动频率是否正常。其次机组运行中需观察机组偏航过程是否发生塔筒、发电机、齿轮箱瞬时振动过大问题，若发生则可能是由于偏航过程中偏航刹车盘脏污导致。
观察机组制动时的振动情况，风电机组风速低和风速高均会制动停机，观察此时机组的振动情况是否正常。特别是发生紧急制动时观察振动情况，防止发生叶片损坏、螺栓断裂等情况，对机组安全运行构成威胁。
2 风力发电机组振动状态监测传感器布置
水平轴式风力风电机组的轴系主要由叶轮、低速轴、齿轮箱、高速轴、发电机组成，按照图１所示风电机组的结构特点，对机组的如下信号（见表1）进行监测：。
振动传感器主要布置在主轴承、齿轮箱和发电机上。其中主轴承一组低频传感器安装在主轴轴承座垂直位置，为径向传感器；另一组低频传感器安装在主轴轴承座平行于轴位置，为轴向传感器。齿轮箱一组通用传感器安装在齿轮箱输出端轴承垂直位置，为径向传感器；二组通用传感器安装于齿轮箱输出端轴承平行位置，为轴向传感器；三组通用传感器安装在一级和二级行星轮外齿圈垂直，为径向传感器；四组通用传感器安装于齿轮箱输入端轴承垂直位置，为径向传感器。发电机一组通用传感器安装在发电机后轴承座垂直位置，为径向传感器；另一组通用传感器安装在发电机前轴承座垂直位置，为径向传感器。用于全方位监测风力发电机组的振动状态，振动测点布置示意图如图１所示。
滚动轴承故障阶段可分为（如图4所示）：初始阶段，噪声水平、温度正常，但超声波、声发射、尖峰能量和外环偏心有所增长，并且通频振动低在轴承特征频率处没有离散的谱线；第二阶段，温度正常且噪声水平稍有增长，超声波、声发射、尖峰能量和外环偏心大大增长，通频加速度和速度振值有所增长，轴承特征频率在对数坐标频谱中很明显，在线性频谱中刚刚能看到；第三阶段，明显听到噪声，温度稍有增长，超声波、声发射、尖峰能量和外环偏心特别高，通频加速度和速度振值大幅增长，轴承特征频率及其谐波和边带在线性坐标振动频谱中清晰可见，基础噪声明显升高；最终阶段，变化的噪声水平，温度明显增长，超声波、声发射、尖峰能量和外环偏心快速升高后逐渐下降，振动谱线主要在较低的轴承频率，频谱图有很高的基础噪声，随时发生故障。
图5 滚动轴承外环失效
轴承各部配合间隙不合理导致轴承外环失效。轴承间隙过小时,由于油脂在间隙内剪力摩擦损失过大,也会引起轴承发热,同时,间隙过小时,油量会减小,来不及带走摩擦产生的热量,会进一步提高轴承的温升。但是,间隙过大则会改变轴承的动力特性,引起转子运转不稳定，产生周期性振动如图5所示。因此需要针对不同的设备和使用条件选择核实的轴承间隙。
轴承安装时轴承内径与轴、外径与外壳的配合非常重要,当配合过松时,配合面会产生相对滑动称做蠕变。蠕变一旦产生会对磨损配合面,损伤轴或外壳,而且磨损粉末会侵入轴承内部,造成发热、振动和破坏。过盈过大时,会导致外圈外径变小或内圈内径变大,减小轴承内部游隙。为选择适合用途的配合,要考虑轴承负荷的性质、大小、温度条件、内圈外圈的旋转状各种条件因素。 滚动轴承松动常常出现大量的高次谐波，有时10X，甚至20X，松动严重时还会出现半频及谐频（0.5X、1.5X…）如图6所示。松动本身不是纯粹的故障，不会直接产生振动，但它可以放大故障的作用。
4 结论与建议
目前对于风电机组发电机、齿轮箱、主轴承的振动监测独立于风电机组主控系统，当振动监测系统检测到故障时不能第一时间使风电机组停止运行，其次振动监测系统故障分析对值班人员较为困难，需经专业工程师处理提供报告，报告周期较长不利于风机安全稳定运行。部件的振动情况缺乏足够的历史运行数据进行比对分析，对于位于齿轮箱内的轴承及啮合齿轮的频谱诊断也缺乏足够的实践经验。
今后在风电机组的运行维护中应注意以下几点：①必须深入了解滚动轴承、齿轮箱输入的载荷谱及齿轮箱的原始振动频谱，对主轴承、齿轮箱故障进行预防，当出现故障特征频率时及时分析处理，并不断进行测试最终建立故障数据库。②定期检查润滑剂是否有杂质、是否失效，啮合、接触部位是否得到充分润滑。③设计厂家应对不同用户采取不同设计数据，对风力变化大、交变应力大的应用风场，应对齿轮箱及轴承采取强化设计。
参考文献
[1] 刘万琨.风能与风力发电技术[M].北京：化学工业出版社，2006：
[2] 贾轶军.风力发电机组振动故障诊断与分析[J].内蒙古石油化工，2014，第4期：第2页.
论文作者:占生辉,朱德辉,董贤礼
论文发表刊物:《电力设备》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/25
标签：齿轮箱论文; 机组论文; 风电论文; 轴承论文; 传感器论文; 发电机论文; 主轴论文; 《电力设备》2017年第12期论文;