風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障問(wèn)題及振動(dòng)采集

陳大明 梁翠綿

摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作時(shí)出于各種因素，機(jī)艙內(nèi)的很多部位會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)的情況，這種震動(dòng)如果頻率和幅度達(dá)到一定條件時(shí)，就會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)拱l(fā)電機(jī)組徹底損壞，所以，發(fā)電機(jī)的震動(dòng)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是非常必要的。監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出發(fā)電機(jī)內(nèi)的震動(dòng)情況，并將信息上傳到相關(guān)的安全檢測(cè)模塊中，如果此時(shí)的震動(dòng)值已經(jīng)超過(guò)了報(bào)警的閥值，安全檢測(cè)模塊就會(huì)發(fā)送命令，切斷風(fēng)電機(jī)組的安全鏈，使之能夠停止運(yùn)行，以避免繼續(xù)震動(dòng)而使風(fēng)電機(jī)組受到損傷，達(dá)到保護(hù)機(jī)組的目的。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);故障;振動(dòng)采集

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障振動(dòng)

風(fēng)電機(jī)組最常見(jiàn)的故障主要集中在機(jī)艙的機(jī)械部分。盡管低速軸和中速軸、齒輪箱、高速軸和風(fēng)力渦輪機(jī)偏航系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，但這些故障的根本原因在于軸和齒輪等部件的問(wèn)題。

1.1滾動(dòng)軸承

滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中最常見(jiàn)的部件之一。同時(shí)，它也起著非常重要的作用。在傳動(dòng)過(guò)程中主要起到固定和降低載荷摩擦系數(shù)的作用。軸承通常由四部分組成：滾動(dòng)體、保持架、外圈和內(nèi)圈。這些組成部分起著非常重要的作用。任何部件故障都會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)故障。軸承主要會(huì)出現(xiàn)磨損、拼貼、腐蝕、疲勞和斷裂。滾動(dòng)元件在內(nèi)圈和外圈之間自由滾動(dòng)。盡管由于實(shí)際生產(chǎn)中的誤差，滾動(dòng)體的表面是光滑的，但滾動(dòng)體不是標(biāo)準(zhǔn)球體。因此，滾動(dòng)體通常伴隨著交變激振力，其中特征滾動(dòng)頻率在頻譜中占有很大的分量。工作期間，軸承損壞點(diǎn)會(huì)不斷沖擊與其接觸的零件，導(dǎo)致沖擊振動(dòng)。該頻率是軸承部件發(fā)生故障的頻率。因此，檢查軸承故障時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)之一是找出故障引起的周期性沖擊的特征頻率。

1.2齒輪

齒輪是一種機(jī)械元件，利用齒的嚙合傳遞扭矩。通過(guò)齒輪之間的合作，可以實(shí)現(xiàn)改變扭矩、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)形式和方向的目的。因此，齒輪傳動(dòng)的方法具有相當(dāng)高的傳動(dòng)效率，傳動(dòng)比也非常精確。同時(shí)，它還可以應(yīng)用于不同的功率，因此該設(shè)備作為一種機(jī)械部件，得到了廣泛的應(yīng)用。齒輪的失效不僅受設(shè)計(jì)、制造、裝配等因素的影響，還受其運(yùn)行過(guò)程中的熱處理和潤(rùn)滑等因素的影響。正常情況下，設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生一些缺陷。在實(shí)際維修過(guò)程中，一些微小的缺陷是很難被發(fā)現(xiàn)的，但這些缺陷可以通過(guò)分析振動(dòng)信號(hào)得到。齒輪傳動(dòng)和故障會(huì)引起一些特征振動(dòng)，它們的組合會(huì)導(dǎo)致振幅調(diào)制和頻率調(diào)制。振幅的調(diào)制是指齒的表面載體對(duì)振幅的影響。頻率調(diào)制是指在某一頻率附近橫向頻率的影響。通常，頻率調(diào)制和振幅調(diào)制同時(shí)發(fā)生。

1.3其他問(wèn)題

機(jī)械部件上有幾個(gè)缺陷，以上總結(jié)了主要部件的一些常見(jiàn)故障。同時(shí)，其他缺陷也值得我們研究和分析。連接松動(dòng)也不時(shí)發(fā)生，這將降低零件連接的剛度。其振動(dòng)特點(diǎn)是：重心和軸線軌跡不穩(wěn)定，頻譜中存在高階重復(fù)頻率分量，且在沖擊波中振幅較大。因此，當(dāng)高次諧波振動(dòng)的振幅超過(guò)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率振幅的一半時(shí)，我們有理由認(rèn)為存在連接松動(dòng)故障。

2風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)采集分析與監(jiān)控系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)采集分析與監(jiān)控系統(tǒng)，主要是三大模塊，包括振動(dòng)感應(yīng)器、安全檢測(cè)以及上位機(jī)分析系統(tǒng)。而根據(jù)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的特性，既要遵循實(shí)用性，也要尋找最優(yōu)預(yù)測(cè)系統(tǒng)配置的原則考慮，本系選擇近年來(lái)快速發(fā)展的MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）加速度計(jì)，作為振動(dòng)信息測(cè)量的感應(yīng)器。這種感應(yīng)器具備低成本、低功耗、功能完善、中低頻特性良好等優(yōu)點(diǎn)，并能夠檢測(cè)動(dòng)靜加速度，連通帶也可以調(diào)整，使用起來(lái)并不復(fù)雜，而且對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量的精度也符合現(xiàn)階段的要求。此外，監(jiān)控系統(tǒng)可以把用于監(jiān)控的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和用于分析的離線分析統(tǒng)計(jì)信息數(shù)據(jù)分開(kāi)記錄，傳輸至不同的模塊內(nèi)，從而使系統(tǒng)的效率更高，在保證數(shù)據(jù)分析完整性的同時(shí)，也能對(duì)設(shè)施總體執(zhí)行狀況進(jìn)行全面的分析，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析的即時(shí)性，從而提高管理的準(zhǔn)確性，也能降低漏報(bào)概率以及提高監(jiān)測(cè)的有效性，從整體上提高了監(jiān)測(cè)分析設(shè)備的技術(shù)水平。

2.1振動(dòng)傳感器模塊運(yùn)行分析

振動(dòng)感應(yīng)器模組，是由加速度信號(hào)的采集電路所構(gòu)成，而為讓模塊能夠更為靈敏，通常都會(huì)使用三軸加速度傳感器、單片機(jī)控制器，或是通信集成電路。其中，前三軸加速度傳感器的最大量程可選擇±2g和±6g。而加速度傳感器，最大采樣頻率是一百六十赫茲，需要設(shè)定的配置寄存器進(jìn)行調(diào)整。此外，上位機(jī)在校準(zhǔn)傳感器模塊時(shí)，需要首先將校準(zhǔn)信息傳輸至單片或微型計(jì)算機(jī)中，然后再由單片或微型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)芯片中，并將這些數(shù)據(jù)分派給傳感器以及相應(yīng)的輔助寄存器。單片機(jī)在上電時(shí)，將先讀取存儲(chǔ)在芯片中的校正數(shù)據(jù)，接著再將這些數(shù)據(jù)下載到位于傳感器內(nèi)的輔助寄存器中。而單片機(jī)控制器也將在接受時(shí)到路由傳感器內(nèi)部所形成的中斷脈沖后，立即用SPI通信接口讀取加速度值，并將X、Y、Z軸上的數(shù)據(jù)經(jīng)由通信口傳給安全檢測(cè)模塊。傳感器模塊和監(jiān)控模塊之間的通信協(xié)議中增加了校驗(yàn)字節(jié)，以避免在通信過(guò)程中因?yàn)榫€路干擾而產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)誤報(bào)。

2.2安全監(jiān)控模塊運(yùn)行分析

安全監(jiān)控模塊系統(tǒng)實(shí)時(shí)收到傳感器數(shù)據(jù)模塊系統(tǒng)所上傳的數(shù)據(jù)信息后，對(duì)各個(gè)軸承的震動(dòng)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，得到了預(yù)定周期的各軸承的峰值，并進(jìn)行了矢量疊加計(jì)算后和預(yù)先設(shè)置的安全門(mén)限值作對(duì)比，一旦持續(xù)高于門(mén)限值且持續(xù)時(shí)間大于兩秒鐘后，可由控制繼電器使風(fēng)力發(fā)電機(jī)突然剎車(chē)并停止工作，進(jìn)入設(shè)備故障保護(hù)狀態(tài)。在振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)后，監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)才準(zhǔn)許風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作。監(jiān)控模組則具有記錄設(shè)備發(fā)生故障事件的功能，將故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到大容量的存儲(chǔ)芯片中，以方便于上位機(jī)讀取。在該功能模塊的主控CPU在接收到上位機(jī)命令時(shí)，并需要對(duì)命令進(jìn)行分析，以便判斷上位機(jī)命令的實(shí)際運(yùn)行任務(wù)，在這里還包含了如下命令：對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備的參量指令：在出廠前，對(duì)傳感器，以進(jìn)行零點(diǎn)和增益的校正;對(duì)基本參數(shù)讀取命令：讀取當(dāng)前監(jiān)控模組的設(shè)置參數(shù);故障歷史數(shù)據(jù)讀出命令：讀取機(jī)組的歷史故障數(shù)至上位機(jī);門(mén)限設(shè)定命令：設(shè)定高振動(dòng)的綜合報(bào)警門(mén)限;正常傳輸震動(dòng)數(shù)據(jù)包指令：發(fā)送經(jīng)感應(yīng)器檢測(cè)的震動(dòng)數(shù)據(jù)包至上位機(jī)，進(jìn)行時(shí)間、頻域解析。

2.3上位機(jī)配置分析軟件

該部分的軟件系統(tǒng)功用主要是對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊和傳感器進(jìn)行初始化時(shí)間設(shè)定，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)間區(qū)域和頻率區(qū)域的分類(lèi)與存儲(chǔ)。時(shí)域映射信息分析：通過(guò)計(jì)算并指示出現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)的三軸、兩軸和單軸上的波浪狀、輻值等，并設(shè)定了數(shù)據(jù)記錄門(mén)限，在測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)該門(mén)限時(shí)后自動(dòng)保存為故障數(shù)據(jù)。為了更準(zhǔn)確地結(jié)合風(fēng)機(jī)中振蕩信號(hào)的低頻段分量特性，該分析軟件系統(tǒng)采用了軟件濾波方式，進(jìn)而得到了在目標(biāo)頻率內(nèi)的全時(shí)域分析信息波形。高頻區(qū)域信息分析：通過(guò)對(duì)觀測(cè)信息數(shù)據(jù)中的目標(biāo)在高頻范圍內(nèi)作FFT頻率上的分解，獲得頻率圖，有助于觀測(cè)目標(biāo)頻率內(nèi)的振蕩特征。根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，如果振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度二赫茲或者在CPU的倍頻左右，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠正常進(jìn)行作業(yè)。因此，對(duì)監(jiān)控模塊進(jìn)行設(shè)置時(shí)，可以將總帶寬設(shè)置在一點(diǎn)五赫茲與三赫茲之間，這樣，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中各軸流式的振動(dòng)峰值是否在安全區(qū)域的檢測(cè)更加準(zhǔn)確，避免了出現(xiàn)高頻率的干擾信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)誤報(bào)的情況。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文分析了當(dāng)前階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，并針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)采集分析與監(jiān)控系統(tǒng)的震動(dòng)傳感器模塊和監(jiān)控模塊進(jìn)行了分析和研究，使系統(tǒng)能夠完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集分析與監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，希望能為相關(guān)工作人員提供些許便利。

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