浅谈金风风力发电机组的振动
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浅谈金风风力发电机组的振动
姓名：张玉博
入职时间：2013年5月
部门：哈密总装厂
目录
摘要: (2)
一、引言 (2)
二、状态监测与故障诊断 (3)
（一）、振动监测方式 (4)
（二）、国内外发展现状 (4)
（三）、振动故障诊断 (4)
三、金风风力发电机组振动故障案例 (5)
（一）、石碑山A0701机组 (5)
（二）、石碑山B1004机组 (6)
四、金风风力发电机组减振措施与保护 (7)
（一）、对中概念 (7)
（二）、造成不对中的原因 (8)
（三）、不对中对风机的影响 (8)
（四）、金风风力发电机组的减振措施 (9)
（五）、独立于系统的硬件保护 (10)
五、小结 (10)
参考文献 (11)
浅谈金风风力发电机组的振动
摘要:
振动是自然界和工程界常见的现象。振动的消极方面是：影响仪器设备功能，降低机械设备的工作精度，加剧构件磨损，甚至引起结构疲劳破坏；振动的积极方面是：有许多需利用振动的设备和工艺（如振动传输、振动研磨、振动沉桩等）。振动分析的基本任务是讨论系统的激励（即输入，指系统的外来扰动，又称干扰）、响应（即输出，指系统受激励后的反应）和系统动态特性（或物理参数）三者之间的关系。20世纪60年代以后，计算机和振动测试技术的重大进展，为综合利用分析、实验和计算方法解决振动问题开拓了广阔的前景。
风力发电机组中减少振动很重要的一个举措就是对中。金风风力发电机组为了减少振动带来的消极影响，做了许多积极措施。从S43/600Kw机组的机械对中到S48/750Kw的激光对中等都有了质的飞跃。
关键词：
振动；振动分析；对中
一、引言
振动，又称振荡，是指一个状态改变的过程，即物体的往复运动。
从广义上说振动是指描述系统状态的参量（如位移、电压）在其基准值上下
交替变化的过程。狭义的指机械振动，即力学系统中的振动。电磁振动习惯上称为振荡。力学系统能维持振动，必须具有弹性和惯性。由于弹性，系统偏离其平衡位置时，会产生回复力，促使系统返回原来位置；由于惯性，系统在返回平衡位置的过程中积累了动能，从而使系统越过平衡位置向另一侧运动。正是由于弹性和惯性的相互影响，才造成系统的振动。按系统运动自由度分，有单自由度系统振动（如钟摆的振动）和多自由度系统振动。有限多自由度系统与离散系统相对应，其振动由常微分方程描述；无限多自由度系统与连续系统（如杆、梁、板、壳等）相对应，其振动由偏微分方程描述。方程中不显含时间的系统称自治系统；显含时间的称非自治系统。按系统受力情况分，有自由振动、衰减振动和受迫振动。按弹性力和阻尼力性质分，有线性振动和非线性振动。振动又可分为确定性振动和随机振动，后者无确定性规律，如车辆行进中的颠簸。机械振动中最常见的就是简谐振动。简谐振动可以看作匀速圆周运动沿正的两个方向进行分解，其中任意一个方向的运动，都是简谐振动。由此可知，简谐振动比匀速圆周运动复杂得多。
简谐振动的特点是：
1、有一个平衡位置（机械能耗尽之后，振子应该静止的唯一位置）；
2、有一个大小和方向都作周期性变化的回复力的作用；
3、频率单一、振幅不变。
风力发电机组中遇到的振动大多数为机械振动，本文从金风风力发电机组的构造中认识振动，减少由于振动使设备等造成破坏。
二、状态监测与故障诊断
设备发生振动故障的概率最高；振动信号包含的设备状态信息量最丰富；振动信号易于采集，便于在不影响机组运行的情况下实行在线式监测和诊断。因此，振动监测技术是旋转机械设备故障诊断中运用最广泛、最有效的方法。
（一）、振动监测方式
1、连续监测：也称在线监测，以远程故障诊断系统为手段的精密诊断。信息收集比较全面，分析手段丰富。
2、定期监测：按照确定的时间间隔，进行定期监测。一般以小型便携式检测仪器为手段，投资较小，操作简便。
3、故障监测：也称离线检测，以人员巡回检查为基础，感官发现设备运行异常时，对设备进行测试和分析，查找故障原因。
（二）、国内外发展现状
1、国外
目前，欧洲在线监测系统是电场业主对风力发电机组投保的必要条件，第三方仪器供应商同时负责定期提供监测数据的分析报告。一部分在线监测系统作为标配由风力发电机制造商集成提供，一部分在线监测系统的费用由电场业主支付。
2、国内
国内还处于试用初级阶段，例如金风正在试用SKF、FAG在线监测系统。部分风电场维护公司或业主已采购国外便携式离线检测设备，由现场人员定期采集数据，由仪器公司专业振动分析师分析诊断数据并出具报告。效果明显，但价格昂贵。
（三）、振动故障诊断
金风48/750kW风力发电机组为定桨恒速型，其传动系统基本组成部分为：主轴承、主轴、齿轮箱、刹车盘、联轴器和发电机，其中主轴与齿轮箱以缩紧盘方式联结，齿轮箱靠三点支撑。常用的振动测量参数有位移、速度和加速度，一般选用原则为：
1、低频振动（<10Hz）测量位移
位移反映振动幅度的大小，与设备的刚度有直接关系。刚性破坏由低频振动引起。
2、中频振动（10-1000Hz）测量速度
速度反映振动的快慢。疲劳破坏由中频振动引起。
3、高频振动（>1000Hz）测量加速度
加速度反映振动快慢的变化。惯性力破坏是由高频振动引起的。
每一次的振动检测，必须测量速度。因为它反映振动能量，且国际振动诊断标准规定振动烈度的度量值为振动速度的有效值。详见振动等级对照表
表2.1 振动等级对照表
振动速度有效值（mm/s ）
Ⅰ级
Ⅰ级
Ⅰ级
Ⅰ级
0.28 A
A
A
A
0.45 0.71 1.12
B
1.8
B
2.8
C
B
4.5
C
B
7.1
D
C
11.2
D
C
18 D
28 D 45
注释：Ⅰ级小型机械，功率小于15Kw ；Ⅱ级中型机械，300kW 以下机械；Ⅲ级大型机械，重型
刚性基础；Ⅳ级大型机械，较软基础。振动测定范围为10-1000Hz 。 区域A ：振动状态良好。
区域B ：振动状态可接受，能长期运行。
区域C ：振动值在该区域的机器可短期运行，但须加强监测并采取措施。 区域D ：已达到足够烈度，可引起机器损坏。
三、金风风力发电机组振动故障案例
（一）、石碑山A0701机组
发电机前轴承温度高故障 1、机组信息
故障前：功率168kW ，风速7.8m/s ，温度29度
恢复后：功率183kW，风速8.3m/s，温度30度
2、故障信息
石碑山A0701机组频报电机前轴承温度高报警，且传动部分异响很大。
3、诊断结论
登机检查后发现电机前轴承运行中存在转子滚动异音。判断发电机前轴承NU2226存在故障。如图3.1。
图3.1 磨损轴承
4、处理措施
拆检发电机前轴承，发现前轴承磨损。更换新轴承，加注发电机润滑脂后，运行机组，异响消失。
（二）、石碑山B1004机组
振动保护模块故障
1、机组信息
故障前：功率51kW，风速4.3m/s，温度30℃
恢复后：功率58kW，风速4.4m/s，温度30℃
2、故障信息
故障数据采集时间为2010年9月25日，风速：4.2m/s，功率：53kW。机舱内感觉不到振动。振动信号故障灯亮，复位后很快又报同一故障。
3、故障分析
报故障时风速为4.2m/s，不属于大风速，登机后再机舱内未感觉到振动，因此排除振动信号真实的可能性；检查振动保护传感器及其接线，未发现有虚接点及断点；检查振动模块上几个插头的接线，24V电源线等，接触良好，没有虚接现象。检查后判定为振动模块损坏，换上新的振动模块后，机组正常运行。
四、金风风力发电机组减振措施与保护
（一）、对中概念
金风风力发电机组的对中指的是发电机转子、联轴器、齿轮箱三者轴心线重合，即三者的轴中心在同一直线上。不对中分为平行不对中、角度不对中和水平、角度综合不对中。
（二）、造成不对中的原因
从一台风机的安装，到经过20年的使用寿命后报废，这期间都会造成风机不对中。归纳出造成风机不对中的原因有以下几点：
1、风机安装时的不对中从塔架，塔筒一直到机舱以至机舱内的齿轮箱、发电机，无不使用吊车进行安装，机械替代双手的工作，必然导致发电机与齿轮箱的不对中。
2、塔架不均匀变形风机安装完成，经过对中之后，并网运行。随时间的积累，大风期间塔架的晃动，造成塔架不均匀变形，导致风机不对中。这也是为什么在机组运行一定时间后要求对机组重新对中的原因吧。
3、阻尼器失效使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。齿轮箱和发电机地脚底座上的弹性支撑在齿轮箱、发电机高速运转时起到了缓冲振动的作用，类似于阻尼器。倘若弹性支撑老化失效，势必造成四个地脚受力不均匀，导致风机不对中。
4、轴承故障齿轮箱主轴、发电机转子都有轴承支撑，一旦轴承受损或变形，都会造成轴心偏移，使得风机不对中。
（三）、不对中对风机的影响
齿轮箱、联轴器、发电机三者的不对中对风机的影响是很大的，主要体现在以下几个方面：
1、在转子中产生交变载荷齿轮箱和发电机轴心偏移，当风机运转时，就会导致转子受到不均匀的力，且力的大小和方向周期变化。转子受力不均匀将会对轴承造成损坏，严重时将影响发电机转子，造成转子变形。
2、引起风机的振动风机不对中会造成齿轮箱和发电机的振动，严重时将引起整个风机机舱的振动，这对风机的使用寿命和工作人员的维护工作影响都是很大的。
3、加剧轴承和齿轮箱失效齿轮箱的作用就是将叶轮获得的低转速通过齿轮箱的传速比，转换成高转速，带动发电机转子高速运转。假若不对中，势必造成受力不均匀，应有的高转速不能完全带动发电机转子，同时由于受力的不均匀，对齿轮箱轴承和发电机轴承造成的损坏也将加快。
4、产生噪声齿轮箱和发电机不对中，运转过程中必然会产生转轴与轴承的碰撞，这不但加剧轴承与转轴的损坏，同时也会产生噪声，对环境也是一种污染。
（四）、金风风力发电机组的减振措施
尽管振动对于风力发电机来说是不可避免的，但是金风的风力发电机组还是做了很多减振措施，来减少由于振动产生的损害。
1、在S43/600Kw的风力发电机组中，对机舱罩与机舱的接合处加装了橡皮垫，用来缓冲机舱罩的振动，同时由于橡皮的弹性作用，使得机舱罩与机舱接合无缝隙，防止雨水进入机舱，避免了渗水造成的部件生锈等不必要的损坏。
2、在大部件方面，无论是金风S48/750Kw机组，还是S43/600Kw机组，都对齿轮箱、发电机、液压站安装了弹性支撑、减振元件，有效地减弱了由于正常停机或紧急停机的惯性带来的冲击，避免齿轮箱和发电机与机舱底座直接的刚性碰撞。
3、金风风力发电机组在联轴器上也做了减振措施，S43/600Kw机组使用的是万向联轴器，如图4.1。
图4.1 万向联轴器
其1端与齿轮箱侧连接，2端与发电机转子连接。1、2两端均可做4个方向弯曲，因此称之为万向联轴器。由于S43/600Kw发电机组对中用的是百分表，精确度没有激光对中仪高，所以选用万向联轴器。此联轴器对于精确度要求相对较低的600Kw机组来说，能起到一个缓和作用，避免了当齿轮箱和发电机存在轻微偏差时对转轴及轴承造成过大的损坏。
而金风S48/750Kw机组在容量上是600Kw的一个升级，同时在技术及设计上一样超越了S43/600Kw机组。一个很大的变化就是在联轴器上。750Kw机组使用的是膜片联轴器，如图4.2。
与600Kw机组的万向联轴器相比，具有高刚性、高转矩、低惯性的特点，同时KTR —膜片还能补偿径向、角向、轴向偏差，对振动能起到一定的缓冲作用。不仅如此，
膜片联轴器还省去了联轴器油脂，维护起来更方便、简单。金风S48/750Kw机组采用激光对中，对中偏差极小，再配合上膜片联轴器，使得750Kw机组的效率及稳定性远远优越600Kw机组。
图4.2 膜片联轴器
1、高速刹车盘；
2、联轴器；
3、发电机转轴；
4、KTR-膜片
（五）、独立于系统的硬件保护
金风风力发电机组的安全保护系统分三层结构：计算机系统（控制器）、独立于控制器的紧急停机链、和个体硬件保护措施。振动保护被串接在独立于计算机系统的紧急停机链中，与机舱急停、左右偏航、扭缆开关（S43/600Kw机组）、凸轮计数器、看门狗、控制柜急停、主控开一起构成了的安全链。当机组发生振动幅度触发振动开关动作时，安全链断开，机组进入紧急停机，防止由于发生强烈振动导致风机出现不必要的故障与损失。
五、小结
时间过得很快，不知不觉到项目现场工作已经四个月了，首先要在此感谢项目上同事们的关心、照顾和指导。让我在短短的四个月内学到了在校园内学不到的技术和理论，对于刚毕业的我来说这是最大的收获。
投身风电、为风电服务是一项高尚的职业，至今我仍为我的选择而感到自豪。
经过四个月的学习和实践，使我对风机的结构、性能、原理等，有了很大的认识与
掌握，但是由于金风风电机组应用到的知识面广，可学习的东西还有很多，四个月的学习还是远远不够的。本文只是我的一个粗浅的认识，文中有不准确之处还望前辈们指点与教导。
通过这次论文，提高了我语言组织能力，同时加深了我对金风风力发电机组的认识，使我在日后的维护工作中能更得心应手，把维护工作做得更好，争取在日常工作中扩展自己的思维，提高自己的创新意识，为公司、为客户创造最大的价值。
参考文献
[1] 北京天源科创风电技术有限责任公司．《金风S48/750Kw风力发电机组维护指南》，2008
[2] 金风科技股份有限公司．《石碑山项目培训资料》，2005
[3] 殷伟．《振动检测基础知识》，2010
[4] 殷伟．《振动数据分析与识别》，2010