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故障诊断与提高风电可靠性的研究1故障诊断与提高风电可靠性的研究北京唐智科技发展有限公司唐德尧20100831风力发电装备的可靠性与故障率，不仅制约着产业本身的经济效益，而且将影响国家环保、减排、低碳等基本国策的实施。风力发电机的效益与其可靠性及故障多发现象将是未来的主要矛盾。一年的全部时间为8760h，风力发电机的要求利用率2600h，若干风场的统计表明，实际利用率80%，实际故障率20%。笔者所从事的研究是旨在提高装备可靠性的故障诊断研究。致力于机械装备的故障诊断与可靠性研究及产品制造与技术服务。致力于以故障诊断技术保安全！故障诊断做什么？设备的安全监测与故障预警，提供维修指南，提高设备的可靠性及经济、社会效益。故障诊断怎么做？基本工作是：振动冲击等检测、分析和诊断；技术途径是：故障机理研究，特征信息提取；提高目标是：认知设备的缺陷，提出先进维修和设计建议。为了保障风力发电战略的健康推进，唐智科技开发了有关的诊断技术与装备，解决风电机组传动系统和塔架、叶轮系统等状态监测与故障诊断难题。我们的基础技术，是在振动监测技术的基础上发展起来的“广义共振与共振解调技术”。1，广义共振与共振解调技术什么是广义共振？经典物理学所述的“共振”，是指“作用力的频率与物体的固有频率相同”时发生的持久过程。他们忽视了启动过程，也忽视了结束过程。我们所论的广义共振则包括：狭义“共振”的持久过程和全面的启动过程与结束过程。需要特别注意的是：冲击，特别容易激励机械和检测传感器的广义共振。下图的实验表明：冲击纵波引起传感器高频广义共振；冲击引起梁的低频广义共振;传感器接收梁的低频广义共振；传感器输出梁的低频广义共振和自身的高频广义共振叠加信号;故障诊断与提高风电可靠性的研究2什么是共振解调？下图解析了共振解调的原理和作用：共振解调故障诊断技术，用于对故障冲击信息的提取，具有如下7项优势：①收集冲击脉冲高频能量集中在广义共振频率上释放，具有放大性；②广义共振展宽了冲击脉冲的信息，便于发现和监测，具有展宽性；③剔除所有低频振动，只提取故障冲击的广义共振波，具有选择性；④如果没有故障冲击就没有广义共振波和共振解调波，具有对应性；⑤广义共振及解调波的幅度大小与冲击的大小成正比，具有比例性；⑥共振解调后的信号变换为与冲击对应的低频的波形，具有低频性；故障诊断与提高风电可靠性的研究3⑦共振解调频谱呈间隔均匀的梳状，不同于振动频谱，具有多阶性。为了实现故障的共振解调精密诊断，我们在前人的基础上，发展了系列的理论、准则、判据和方法，构建了共振解调自动诊断专辑系统。例如：基于上述技术，在前期应用中获得了卓越的成就：北京市科委的鉴定结论：“该项目的理论和技术均属我国自主创新，拥有完全的知识产权，主要技术在轨道交通运载设备故障诊断和安全监测领域具有重大突破，总体技术居国际先进水平，其中共振解调的设备故障诊断技术居国际领先水平。系列产品为轨道交通运载设备的安全运行提供了有力的技术保证，具有重大的社会效益和经济效益。”该技术在我国铁道领域获得了推广：目前，正在地铁、城轨交通领域推广，立即获得重要收获：故障诊断与提高风电可靠性的研究4现在，正在致力服务于风力发电设备的故障诊断与安全保障，支持先进维修和设计创新。2，风电机组在线故障诊断系统风力发电机的诊断系统由一个4级系统构成。故障诊断与提高风电可靠性的研究5对采集数据和报警数据进行数据库存储、管理；对风场风机的健康状态进行实时评估和显示；对报警信息进行声光报警；依据风场风机的健康状态提出检修建议；对风场风机的健康状态进行月度或周度统计；提供基于Web的报警数据、统计数据的查询；利用故障自动诊断专家系统，对报警故障进行人工加强分析、核查；与唐智科技远程技术支持系统接口，共享采集和报警数据，以获得对疑难、疑似故障进行深度分析的支持；对风场中心和各机载系统进行软件维护和升级。机载系统：系统特点◆基于设备故障机理的故障自动诊断专家系统，无需学习、培训，只需输入轴承、齿轮等参数，便可即装即用；自动、实时、准确识别故障类型、故障程度和精确定位故障部件；◆实现早期预警：支持先进维修决策和维修准备，减少停机损失；故障精确定位，提高维修效率，减少维修损失；◆人性化科技：减轻运维人员大量繁琐、复杂的数据分析、比对、统计和综合劳动强度，减少人为失误；◆支持创新设计：支持故障机理研究，拓展故障识别能力,提供先进维修建议,支持风电可靠性设计和技术创新。◆拥有完整的自主知识产权、本地化服务；完善的售后服务和技术支持体系。地面系统：故障诊断与提高风电可靠性的研究63，风电诊断系统的初步收获和对于风电故障模式的探索与认知在提高风电可靠性与经济效益的对策方面，我们认为可循的途径是：基本对策：故障诊断，视情维修，防止扩展；适时备件，快速更换，减少停机。创新对策：故障诊断，识别机理，先进维修；故障跟踪，认知缺陷，创新设计。本节将从下述5个方面，报告故障诊断技术对于风电可靠性的技术支持：3.1用共振解调诊断技术实现风机轴承齿轮故障自动诊断在介入风电的初次实验中，在一台小型风机上安装了诊断装置：装置立即发现发电机前端轴承滚子故障。趁着风机维修，换下该轴承，发现故障是：滚子开裂。由于故障诊断识别了人们并不知情的隐性故障，防止了风机因该故障扩展而出现事故和计划外停机。而该轴承通过更换故障滚子又可再次服役，代价甚微却取得了两全其美的效果。这样的案例不胜枚举。下面是自动诊断发现轴承故障的诊断装置工作界面。历史结论给出故障位置信息针对具体位置的故障部件，给出故障诊断信息：滚子故障诊断与提高风电可靠性的研究7针对具体位置的故障部件，给出故障诊断信息：内环同时发现内环和外环故障所有这些诊断，均由共振解调自动诊断专家系统在线实现。不需要对诊断装置进行“培训”和安排“学习”，只需提供机器所需诊断部件的结构参数，就能在诊断装置安装后的机器运转过程中实时发出故障报警。这与传统的学习型专家系统有着明显的区别和优越性。同时发现滚子和内环故障下面是发现行星齿轮系内齿圈故障的诊断的例子：下面是发现某风机行星齿轮系的太阳轮故障的例子：风场发现风机的油滤有金属屑，未知故障出自何处。要求进行故障诊断。下面是临时安装的诊断装置以其多参数联合诊断确认太阳轮故障的诊断信息：共振解调诊断齿轮发现太阳轮整圈故障特征。辅以相对扭振诊断，发现太阳轮断齿嫌疑。太阳轮断齿，失落物咬伤整圈其他齿行星轮被咬伤内齿圈被咬伤故障诊断与提高风电可靠性的研究8同时还发现齿轮箱高速轴小齿轮的初期故障及其他若干故障：3.2定点疲劳与齿轮、轴承的匹配，克服轴承齿轮故障多发的设计建议经典疲劳理论认为：齿轮的故障总是从该齿轮某个因材料、工艺等因素导致的薄弱点开始，即首先出现单个故障点。经典诊断理论认为，上述单个故障的特征是齿轮每转一周出现一次冲击，从而首先出现的特征谱是等于转速频率的“1阶谱”。我们提出的定点疲劳理论认为：源于轴承齿轮不当匹配所致的齿轮故障，必然出现多个故障同步、均布发生，故障信息的特征频谱是将出现整数倍于转频的谱。同样，支承齿轮的轴承也可能发生定点疲劳：“定点疲劳理论”简述如下：在某瞬时，小齿轮轴承的外环承载区只有一个滚子，承担由大齿轮对小齿轮经由轴承内环传递来的载荷。而此时，若齿轮出现最大的径向推力，则出现系列问题：1，若齿轮出现最大径向推力时，轴承承载区总是只有一个滚子承载，则轴承出现外环-滚子-内环定点疲劳。2，由于出现外环-滚子-内环定点疲劳时，轴承承力方向间隙最小，势必使齿轮啮合径故障诊断与提高风电可靠性的研究9向力最大。3，如果上述齿轮啮合径向力最大的现象总是发生在大或/和小齿轮的某些固定的部位，则齿轮发生定点疲劳。以某风力发电机齿轮箱高速轴前端轴承为例，讨论齿轮、轴承的定点疲劳问题。基于《减少齿轮传动系统故障率的轴承齿轮匹配维修和设计》所提出的方法，计算该风故障诊断与提高风电可靠性的研究10机的匹配状况与定点疲劳部件：齿轮齿数：CD=72，CX=29高速轴前轴承：中径D0=177.3，滚子直径d=35，滚子数Z=15。XW个滚子滚过外环承载点对应齿轮啮合次数YW的函数：YW=2*D0*CX*XW/[(D0-d)*Z]=2*177.3*29*XW/[(177.3-35)*15]=4.8177091XW若XW=5,则YW=24.088545≈24,偏差-0.088545，外环-滚子-齿轮对冲疲劳几率JW=1/XW=1/5=20%CDD=CD/YW=72/24=3，整数，大齿轮存在3定点疲劳！CXD=CX/YW=29/24=1.20833，非整数，小齿轮不存在定点疲劳！XN个滚子滚过内环承载点对应齿轮啮合次数YN的函数：YN=2*D0*CX*XN/[(D0+d)*Z]=2*177.3*29*XN/[(177.3+35)*15]=3.229204XN若XN=9，则YN=29.062836≈29,偏差-0.062836内环故障点每转一周，再次到达承载区，正好与第9个滚子及齿轮第29齿对冲CDD=CD/YN=72/29=2.4827506，非整数，大齿轮不存在定点疲劳！CXD=CX/YN=29/29=1.0000000，是整数，小齿轮存在1个定点疲劳点！由于以上轴承齿轮匹配的定点疲劳因素，该位置使用该轴承必然存在内环故障多发等内因。可见多台该型风机的该轴承，在运转时间不久后，均发生内环故障，其根本原因正是轴承、齿轮匹配不当所致的定点疲劳。3.3接地电刷、滑环的故障诊断与改进建议风力发电机的双馈发电机都有电刷和滑环，为了防止雷击，叶轮对风机底座之间也通过主轴法兰盘建立电刷滑环。在双馈发电机的接地电刷和滑环设计中普遍存在一个误区，导致故障多发，甚至引起风机跳闸。本节提出的设计方法，在维修实施中取得了良好的效果。故障诊断与提高风电可靠性的研究11在叶轮接地电刷滑环的故障诊断中的发现，也认为该电刷滑环的设计违背了专利所提出的理论和方法。兹说明如下：故障诊断与提高风电可靠性的研究12引发该冲击的原因之一，是塔架广义共振，原因之二是主轴的不平衡振动，其三则是已经损伤的滑环与电刷的冲击。根据本专利技术所提出的改进建议，取得了行之有效的进步。3.4塔架、叶轮故障诊断研究1，检测传感器安装、校准与参数分离故障诊断与提高风电可靠性的研究132，环境状况调查与测试数据故障诊断与提高风电可靠性的研究14需要进一步建立叶片通过振动的调制谱评价方法，和该评价结论与叶片不均衡及损伤程度的量值关系，以便通过叶片通过振动调制，识别叶片故障。3，塔架松动的非线性振动与冲击故障诊断与提高风电可靠性的研究154，塔架扭振与冲击扭振在风机运转中时常发生。而危害较大的扭振，发生在调偏航、解缆时，因为它引起松弛的偏航齿轮往返冲击，引发疲劳、折断。下面举一个扭振引发冲击的例子。故障诊断与提高风电可靠性的研究165，叶片通过频率振动调制意味着叶片裂纹、疲劳、缺损调查发现：对于叶片较小的故障，用户并不紧急停机维修，而服从发电需要。这就意味着：故障诊断主要目标是防止重大故障引发扩大性事故。于是，可以以裂纹、疲劳、重大缺损为目标实施故障诊断和报警。叶片通过频率振动是不可避免的自然规律。利用各叶片气动特性相互比较法，识别叶片故障。特征是：叶片通过频率振动出现等于转子频率的调制谱和边频谱。利用边频谱与主谱的幅度比可以识别叶片损害程度。3.5塔架自适应减震研究监测、诊断只能发现可引起倒塔的故障，以期在倒塔之前提供信息，帮助及时维修。塔架强大的横向振动才是塔架倒塌的元凶。它引起塔筒疲劳、软化、折断，或使塔架共振频率降低到高转速频率范围而共振；它引起连接件超限拉伸、弯曲。当超过许用范围时，轻则引起塑性形变，在振动幅度减小时使紧固螺母回松；重则发生螺栓拉断，或者折断。振幅增大到使机舱重心超过塔架底座边缘时则可引起倒塔。下图是一些塔架螺栓滑丝、拉断和塔架折断的例子。故障诊断与提高风电可靠性的研究17倒塌前，正弦振动A=5m/s2，振动频率F=0.316Hz，振幅X=A/(2πF)2=2518mm，常规允许范围500mm。无论高低转速，虽然叶轮转频低于共振频