振动监测意义和如何实现

一、振动监测的意义

风力发电机组是风电场的关键设备，长期以来一直采用计划维修(即机组运行2500h或5000h 后进行例行维护)或事后维修(出现故障后再维修)的方式。计划维修无法及时了解设备的运行情况，而事后维修则由于事先的准备不够充分,造成维修工作的耗时太长、损失严重。在风电机组上应用振动监测技术，定期监测风电机组的振动信号并结合风电机组的温度等参数可以实现预知维修，实现维修体制的转变。采用预知维修和故障诊断技术可以延长机组连续运行的周期；做到对机组的状态心中有数，从而针对不同的机组采取不同的措施。属于正常运行状态的机组，按例行方法继续监测；属于状态劣化和故障进行性发展的机组，重点监测；而个别故障严重发展的机组，应及时进行诊断和停机检修，同时根据预测结果，可针对性地准备有关零部件的备件。这样可以大大减少盲目维修及突发性事故停机时间、延长机组的使用寿命、提高企业的综合经济效益。

综上所述，对风电机组实施振动监测的意义有以下几点：

⏹预知故障

对机组可能发生的故障及时预警，实现在故障初期实施修正

⏹明确故障部位

确定故障部位及其原因，节省维修成本与时间

⏹合理安排零部件库存

既保证零部件最小库存，也保证部件更换具有足够的准备

⏹实现预知维修

实现预知维修，避免过度维修和维修不足

二、振动监测分类

风电机组振动监测的实施方法有连续监测、定期监测和故障监测。其各自特点如下：

⏹连续监测

也称在线监测，以数据采集和计算机分析技术，包括远程故障诊断系统为手段的精密诊断。

优点：信息收集比较全面，分析手段丰富，准确性较高。

缺点：设备投资较高，操作人员需要较高的理论基础。

⏹定期监测

按照确定的时间间隔，进行定期监测，一般以简单小型便携式检测仪器为手段，属于简易诊断。

优点：设备简单、投资较小，操作简便、易行。

缺点：信息收集和分析相对简单。

⏹故障监测

操作人员和维修人员以巡回检查为基础，感官发现设备运行异常时，再对设备进行测试和分析，查找故障原因，评价运行状况，为检修提供依据、指明方向。

目前较为常用的监测方法，介于精密诊断和简易诊断之间，适合于小型机组或离线监测设备的诊断分析。

三、风电机组振动分析诊断

1）风电机组测点布置

振动监测能在不拆卸设备的情况下判断设备是否存在故障并大致确定故障部位。根据风电机组的特点，主要监测部位有：齿轮箱、发电机、主轴承、其他轴承、偏航及塔筒。

测点的布置对振动监测和故障诊断极其重要。合理布置测点，才能获得准确的振动数据，从而保证后续分析的准确性。德国安联保险公司和GL规定, 陆上大型风机传动链的在线振动监测系统至少需要6个加速度传感器。传感器位置的选取应该尽量保证被监测部件的振动可以直接传递到传感器上。因此，传感器应安装在距离被监测部件承载区最近的可安装位置和载荷最大的方向上。

根据目前风电机组的实际运行情况，其传动链中的发电机、齿轮箱、主轴及其轴承受到变化的载荷作用，容易出现故障。由于轴承承载着机组负荷，通过监测轴承的振动，就可较早发现潜在的故障。在测轴承的振动时,测量点应尽量靠近轴承的承载区；由于机组传动链中部件较多，低频信号被高频信号调制，高频信号对方向不敏感，只测垂直或水平一个方向即可。综合考虑风电机组的特点和以上测点布置基本原则，同时根据测试经验，可确定风电机组的测点位置（对不同结构风机，测点位置略有不同）。

图1 风电机组测点布置示意图

2）风电机组常见故障

风电机组传动链中的发电机、齿轮箱、主轴及其轴承受到变化的载荷作用，容易出现故障，常见故障总结如下：

齿轮箱：轴不平衡、轴不对中、轴损坏、轴承损坏、齿轮损伤、断轴、渗漏油、油温过高、润滑不良

发电机：振动过大、噪声过大、机体过热、轴承过热、不正常杂声和绝缘损坏

3）风电机组故障诊断基本方法

振动信号分析方法有时域分析、频域分析、时频分析等多种分析方法。振动是以机器旋转为基础产生的，风电机组不同部件振动产生不同频率振动。

对风电机组振动信号进行分析的方法主要有：

⏹启停机分析

⏹时域统计值

⏹功率谱分析

⏹包络解调分析

⏹倒谱分析

针对风电机组的振动信号，对其实施故障诊断的步骤如下：

⏹根据状态监测->判定设备运行状态

⏹看时域统计值->确定振动可疑点

⏹根据频域信号->确定故障频率范围

⏹选择合适的频率分解方法，确定故障频率

⏹包络解调、倒谱、细化、小波及二代小波

时域分析主要看信号的时域波形和峰值、有效值、峭度等统计指标。有效值表征振动能量。

振动能量大小与机组状态密切相关。当振动信号有效值超标（振动标准如图2，绿色为安全运行区域，黄色为预警区域，红色为报警区域），就应进一步分析信号频谱。频谱分析主要有频谱、包络谱、倒谱等分析方法。滚动轴承的振动根据相关结构参数可以确定其特征频率，但特征频率容易比高频信号调制，通过包络谱分析可确定故障部位；齿轮箱中齿轮磨损、点蚀时，振动信号上会表现为啮合频率被转频调制，通过倒谱分析即可判断故障情况。

图2 汉能华风电机组振动监测标准（加速度值）