振动分析在风电机械设备故障诊断中的研究

王洪亮 刘倩

1.南京中核能源工程有限公司 江苏南京 210046

2.中石化南京工程公司 江苏南京 210046

第一次工业革命之后，人们使用了一次能源，即煤和石油等化石能源，但是由于过度使用化石能源，能源与环境之间的冲突加剧了。世界各国前所未有的气候变化已经严重改变了世界的能源结构使用情况，新能源已经占了主导地位，低碳能源结构（风，水，太阳，原子等）取代了化石能源占主导的低碳能源结构。

1 风力发电主要机械结构

风力发电机的功能是实现风的动能和电能之间的转换—叶轮被风驱动，叶轮使主轴旋转，然后增速箱提高连接到网络上发电的发电机的额定速度。现在，风力发电机通常以每秒三米的风速启动，如图1所示。

图1 正在运行中的风力发电机

2 风力发电机组安装故障振动分析

2.1 机械不平衡

如果风力发电机的旋转中心与组件中轴的重心不一致，则轴旋转时会发生机械不平衡。机械不平衡的主要原因是转子部件的结垢，转子部件的变形和转子部件的弯曲。经过长时间的风力发电机运行测试，发现其主要部分的机械失衡故障特征在波形和频谱图中如下：a.主振动频率是旋转频率。b.它的振动是正弦的。c.径向振动幅度大，几乎没有轴向振动。d.幅度与频率成正比。e.相对稳定的振幅峰值，谐波振幅主要反映在基频上，并且振幅比基频大2到3倍，非常小，几乎看不见。当然，在误差不平衡的情况下，由于误差具有大的径向振动和非常小的轴向振动，所以也可以容易地识别振动计。f.振动的幅度与速度成正比，即，速度的降低以相同的比率减小振动的幅度，并且可以迅速确定为不平衡。如果有大量的二次谐波，三次谐波和其他指示位移，则必须首先纠正这些故障，然后再检查是否平衡。g.如果存在基频的“拍振”成分，则还有其他故障。要检查电动机转子是否损坏或轴承是否损坏。h.如果由于速度的微小变化而引起较大的变化，则可能会产生共振。i.如果垂直振动较强，则可以削弱底座；如果轴向振动较强，则会显示偏移[1]。

2.2 不对中

如果在安装了风力发电机之后，离合器两端的高速齿轮轴与转子轴的轴向旋转线不匹配，就会出现相对位移。不对中现象的出现是由于组装设备时两个轴未对准这一事实引起的，它分为以下几种类型：平行位移：驱动轴的每次旋转都会引起从动轴的两个径向振动，因此由位移引起的振荡频率是轴速度的两倍。角位移：角度不对中改变输入轴和输出轴的角度，使联轴器产生额外的弯矩，弯矩的方向跟随轴的旋转，并产生两个冲击和轴向力。如果同时发生平行位移和角位移，则将同时发生径向和轴向振动。

3 风电机组故障分析方法

3.1 采集风力发电机组的振动信号

3.2 振动信号的采集

振动传感器的主要功能是将机械振动（例如，振动速度，振动加速度，振动位移等）转换为电信号。基本原理是通过传感器内的压电换能器元件和弹簧锤将机械振动转换为电信号。然后将电信号放大，并通过诸如运算放大器的电路将其作为模拟振动信号输出。二进制数据振动信号通常是通过冲击力和加速度收集的，因此压电元件被用作传感器的内部传感器元件。

3.3 定位风力发电机的测量点

振动监测和分析可以帮助相关人员确定风力发电机中存在哪种类型的故障，并在不拆卸风力发电机组件的情况下大致确定故障的位置。这项工作主要检查并演示变速箱中齿轮和轴承的主要部件，发电机的前后轴承以及主轴承。根据风力发电机的特性和实践经验，可以确定几个常见的测量点。对于结构不同的风力发电机，测量点虽然略有不同，但比较相似[2]。

3.4 收集风力发电机的振动信号

根据分析思路确定最合适的测量点，将振动传感器放置在合适的位置并收集振动信号。选择测量点的位置越合理，用于振动分析的设备所记录的数据越精确，振动监测和故障诊断分析的成功概率和准确性就越高。选择传感器位置的原理是传感器可以直接记录振动数据，因此传感器应安装在靠近被测设备的存储区域或最大负载的位置。风力发电机具有许多机械部件，高频信号和低频信号混合在一起。由于高频振动没有方向性地传播，因此仅在一个方向上收集高频信号就足够了。

确定风扇相应部件的型号，确定其参数，例如将机械尺寸替换为特性损坏频率的公式，然后根据风力发电机的运行速度确定运行频率[3]。

频谱分析，在频域图中分析每个振动频率的阶数，幅度和边频率，以确定损坏的位置和程度。频谱分析是在频域图中分析每个振动频率的阶数，幅度和边频率，以确定损坏的位置和程度。首先，查看每个测量点的波形以确定振动幅度的最大值，将振动幅度的最大值与VDI3834标准的相应部分的警报值进行比较，并根据振动超过标准值的程度确定其严重性。其次，对于每个测量点的时域波形，将软件收集的傅里叶测量点速度的振动加速度信号转换成频率范围和频谱包络图。最后，查看频率范围的相应波形，然后在频谱图中找到频率转换和相关的谐波。根据它们的特定表现形式和属性来确定该错误是否是由安装引起的机械故障，然后在频谱图中找到每个对应分量的损伤振动频率及其谐波频率。如果它具有特征频率，则意味着相应的相应组件有故障。

4 结语

科技发展日新月异，振动分析技术也在不断完善，振动诊断和系统控制技术的应用范围越来越广，并且精度也越来越高。