风力发电机组的振动测试与诊断

时间
测点1
测点2
测点3
测点4
测点5
06点
1.65
1.63
1.84
2.14
2.17
07点
1.72
1.62
1.87
2.10
2.18
08点
1.74
1.59
1.86
2.13
2.14
09点
1.77
1.64
1.88
2.14
2.15
10点
1.76
1.65
1.87
2.12
2.16
11点
1.74
1.66
1.85
2.12
其进行连续的监测以提供更多的原始数据。通过对同 一齿轮箱的同一部位进行定期监测，将风机正常状况 下的各个振动值作为制定相对标准基础。在实际监测 诊断中，将实测值与正常值比较，视为倍数来判断机 械齿轮箱的运行状况。依据风机相对标准的条件，我 国一些厂家在长时间反复试验中制定了相对标准倍数 值，见表 3 所示。
4 8.693 -7.873 -0.01021 4.374 2.091 4.374 2.091
5 8.847 -7917 -0.0114 5.437 2.331 5.437 2.331
从表4和表5中可以看出，振动值明显偏大，特别 是3-5点振动值基本是正常的3倍以上，初步诊断齿轮 箱和发电机轴承存在着故障。 3.3 速度诊断分析
表 3 机械振动诊断相对标准倍数值
低频率振动（<1kHz） 低频率振动（>1kHz）
健康
1倍
1~3 倍
亚健康
2~4 倍
4~6 倍
异常
>4 倍
>6 倍
3.2 时域统计分析 时域统计分析是依据监测样本，针对时间序列的
各种数字特征（最大值、最小值、平均值、方差、标
准差、均方值、有效值）做出一种切合现实的估计。
表 2 齿轮、轴和轴承的特征频率（Hz）
啮合频率
倍频
第 I 级 第 II 级 第 III 级
1 倍频
35.91 158.18 旋转频率
太阳轮轴 中间轴
545 高速轴
1
1.71
7.19
21.8
发电机前后轴承频率
fi 547.7
fo
fg
fb
324.9
39.9
8.12
3 实例分析
3.1 振动故障判断诊断标准 风力发电机组振动没有相关的国家标准，只能对
Vibration Test and Diagnosis of the Wind Generator ZHANG Dengfeng, HAO Wei, HAO Wangshen
（Research Institute of Vibration Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China） Abstract：According to the initial stage in fault diagnosis of the wind generator at the present domestic, the paper has done vibration tests and fault diagnosis on the wind power gear box and generator bearing .The results show that vibration fault diagnosis of wind generator is completely feasible. Key words：turbine generators；fault diagnosis；vibration test
各测量点振动烈度平均值，而且在这以后用设备监测
统一监测点，结果很长时间内都保持这一状态。所以
根据表3相对标准取值原则，制定风机设备发生故障标 准。
表7 2009.2.13测点振动振动烈度平均值(mm/s)
时间
测点1
测点2
测点3
测点4
测点5
06点
1.84
1.93
4.18
4.32
4.42
07点
1.87
1.95
齿轮箱
叶轮 ①
z4 ②
② z2 ②
z6
②
太阳轮轴
发电机
z7 ②
④⑤ ②②
⑥ ②
③
z3 ②
z5 中间②轴
z8 ② 高速轴 ②
图 1 发电机设备测点布置图
接着使用 6 只加速度传感器，灵敏度为 100mv/g， 胶粘在上面所布置点，然后将风电版小型数据采集器 放置到风电机组的舱内，通过网线把采集到的数字信 号传输下来，然后对得到的数据进行分析和诊断。
产生周期性脉冲冲力，从而产生振动信号的调制现象，
在频谱上表现为在啮合频率或固有频率两侧出现均匀
的调制边频带。
幅值/(mm/s)
15 10
5
0
-5
-10
-15
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2 1.4
时间/s
(a) 时域图
2.5
幅值/(mm/s)
2
1.5
1
0.5
0 440 460 480 500
520 540 560 580 600 620 频率/Hz
10
风力发电机组的振动测试与诊断
2012.№1
风力发电机组的振动测试与诊断
张登峰, 郝 伟, 郝旺身 （郑州大学振动工程研究所，郑州 450001）
[摘 要] 针对目前国内风力发电机组故障诊断还处于初期阶段。本文从风力发电机组齿轮箱和发电机轴承进 行振动测试与诊断。通过实例表明，实施风力发电机组的振动故障诊断是完全可行的。 [关键词] 风力发电机组；故障诊断；振动测试； [中图分类号] TM315 [文献标识码] B [文章编号] 1000-3983(2012)01-0010-03
14点
1.90
1.99
6.47
6.48
6.59
15点
1.88
1.97
6.45
6.45
6.56
16点
1.86
1.95
6.43
6.42
6.52
17点
1.87
1.93
6.42
6.41
6.53
表7是风机设备运行三年后，设备测的测量点的振
动烈度平均值，从图中可以看出，风机运行状态处于
不良状态，特别是增速箱3、4点和发电机5点有较大的 烈度值，预示着此时监测3、4和5点存在故障。
2.2 齿轮箱和发电机轴承参数 某台发电机组其参数见表 1。
表 1 齿轮箱参数（其余单位：mm）
名称
齿数 模数 螺旋角（°） 公法线长度
内齿圈 行星轮 太阳轮 二级大齿轮 中间齿轮轴 输出大齿轮 输出齿轮轴 电机前后轴型号 （SKF6330）
93 36 21 92 22 76 25 内径 150
14 14 14 10 10 6 6 外径 320
2012.№1
大电机技术
11
(1) 由于风力发电设备机组系统的复杂性和工作 条件比较恶劣性，如此布置的目的就是为了方便测试。
(2) 由于轴承承载着机器的负荷，诸多常见的机械 问题（如不对中、不平衡、油膜振荡、松动等）均会 把振动信号传给轴承。因此通过监测轴承的振动，就 会及时发现常见机械故障和轴承缺陷，为设备及时必 要地维修赢得了足够时间。
振动速度的烈度值是诊断指标，即其均方根值的 大小，然后将它与正常标准进行对比来诊断设备的运 行状态。此方法用来测量齿轮箱振动烈度的变化趋势， 判断是否发生故障。
监测所得到的试验数据见表6、表7所示，对风机
12
风力发电机组的振动测试与诊断
2012.№1
齿轮箱具有代表性的两天时间段进行对比分析。
表6 2007.10.15测点振动振动烈度平均值(mm/s)
2 齿轮箱振动测试
2.1 测点布置 依据当前风力发电设备的现场工作状况，较容易
产生故障的部位常常是齿轮箱齿轮和发电机以及它们 前后轴承，并考虑到现场情况及测试的方便性，因此， 在监测中我们常常选择齿轮箱、发电机的前后轴承作 为测量重点，图 1 就是测试点的布置图。之所以这样 布置，是基于以下两点考虑：
3.4 时域和频域分析 时域波形是原始信号，包含较多的信息量。一般
对于有明显特征波形的故障，可以做出初步判断。而
频域分析是现代信号处理技术的最常用的方法之一，
对于分析齿轮箱故障产生的部位、故障类型和产生原
因提供了非常有效的分析手段。因此，频谱分析方法
是齿轮箱故障诊断最重要的信号分析方法之一。当齿 轮出现点蚀、断齿以及滚动轴承发生疲劳剥落等，会
(b) 频谱图
图 2 齿轮箱高速级振动图
表5 A机组幅值统计表（mm/s2）
测点 最大值 最小值 平均值 方差 标准差 均方差 有效值
1 3.745 -3.262 0.00201 0.5041 0.7100 0.5041 0.7100
2 3.473 -3.581 0.000711 0.6214 0.7883 0.6214 0.7883
3 11.23 -11.41 0.01427 5.731 2.394 5.731 2.394
过高是诱发齿轮箱发生故障的主要原因之一[2]。这时由 于齿轮箱长期工作在高速重载下，便会伴随着产生大 量的热，引起齿轮箱均匀的温度场发生紊乱，如果润 滑剂散热不好，便会造成润滑剂提前失效。又由于风 场的不恒定，导致机组工作速度变化及机组载荷交替 变化。最后在热应力和应变力引起变形共同作用的情 况下，诱发齿轮胶合、齿面损伤和轴承失效（内外圈 或滚珠损坏）等故障的出现。另一方面，设计上存在 缺陷。这主要由于齿轮的承载能力计算一般按照 ISO6336 进行。当无法从实际运行得到经验数据时， 厂家可能选用的应用系数为 1.3，但实际上由于风载荷 的不稳定性，使得设计与实际具有偏差，造成齿轮表 面咬伤甚至表面载荷过大而疲劳破坏[3]。如果轴承选择 不好，会造成轴承损坏。这在一定程度上影响着功率 传递，产生噪音，严重影响机组正常运行。
1 齿轮箱发生故障的原因
由于风力发电设备本身结构复杂性及工作环境恶 劣下，齿轮和齿轮箱极容易受到损害和出现故障。轴 承失效和齿轮箱出现故障是导致设备故障的重要因 素。机组发生故障可能主要有以下原因：一方面油温
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50675209)；河南省杰 出人才创新基金资助项目(0621000500)
4.20
4.34
4.45
08点
1.88
1.94
4.19
4.33
4.44
09点
1.87
1.96
4.21
4.34
4.46
10点
1.89
1.98
6.42
6.47
6.56
11点
1.87
1.97
6.43
6.45
6.54
12点
1.88
1.94
6.42
6.44
6.55
13点
1.89
1.96
6.45
6.47
6.57
5 5 5 15 15 15 15 滚体直径 60
457.30 194.34 107.97 386.81 109.58 269.76 66.12 滚体个数 a(°) 40
2.3 计算齿轮箱和发电机轴承频率 由于结构、运行特性的不同，各零部件有不同的
特征频率。可以通过机组参数来计算齿轮箱齿轮、发
电机轴承特征频率，见表 2。
2.15
12点
1.76
1.65
1.84
2.13
2.17
13点
1.74
1.67
1.84
2.15
2.16
14点
1.73
1.67
1.85
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.14
2.17
15点
1.75
1.65
1.86
2.14
2.16
16点
1.74
1.64
1.86
2.13
2.14
17点
1.72
1.65
1.85
2.13
2.13
表6是风机设备投入使用半年处于正常状态时的
引言
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世 界各国的重视。在 2003~2007 年间，全球风力发电年 平均增长率为 24.7%，截至 2007 年底，全球累计总装 机容量为 93864MW，风电新增装机容量为 19865MW。 而风机齿轮及齿轮箱极容易受到损害和出现故障。一 旦风机出现故障，就会直接给企业带来巨大的经济损 失。由于目前国内风力发电机行业起步较晚，对于风 力发电机故障诊断的运用还处于起步状态，特别是在 风机齿轮箱典型故障机理和特征提取方面还不够深 入，这主要因为风力发电设备本身结构复杂，工作环 境恶劣，各种干扰较大，涉及的问题较多[1]。于是，本 文通过对风力发电机组旋转部分进行振动测试与诊 断，为及时发现隐患，找出导致问题出现的原因，最 终为相应地采取措施提供依据。
此统计方法易于掌握、显示直观、便于计算，被广泛
应用于振动诊断中。
表4 A机组幅值统计表（mm/s2）
测点 最大值 最小值 平均值 方差 标准差 均方差 有效值
1 1.672 -1.824 0.000312 0.1324 0.3638 0.1324 0.3638 2 1.934 -1.745 -0.0025 0.1432 0.3784 0.1432 0.3784 3 3.452 -3.314 -0.00163 0.4732 0.6878 0.4732 0.6878 4 3.392 -3.394 -0.00732 0.6973 0.8350 0.6973 0.8350 5 1.672 -1.674 -0.0041 0.1359 0.3686 0.1359 0.3686