风力发电机组振动状态监测与故障诊断

机的,其主要频率成分为滚动轴承的特征频率。 (l)轴承特征频率

特征频率可根据轴承结构参数计算如下: ①内圈旋转频率: fi=f=N/60(2一l)

②保持架旋转频率或滚动体公转频率: fc=奋(`一舍。05。)fi

滚珠自传频率或滚动体上一点通过内圈或外圈频率: (2一2) ③

丘=竺「1一uZdL嘿`1fi(2一3) ④保持架通过(内圈)频率: fci=

z个滚珠通过内圈频率: 几i二

z个滚珠通过外圈频率: 奋(`+舍。。s。)fi(2一4) ⑤

zfci号z(`+苦co邓)fi(2一5) ⑥

式中,d为滚珠直径,p为接触角 径。

另外,滚动轴承运行过程中, 有振动,滚珠的固有频率为:

、。一zfc号z(`一昙。o邓)fi ,z为滚珠数量,N为轴的转速 (2一6)

(r/min),D为轴承节

由于滚动体与内圈或外圈冲击而诱发轴承各元件的固 文第13页

有足够的结构阻尼镇定,叶片就会以自振频率失稳,以至于叶片在很短的时间即出现裂 纹或断裂。这种现象出现时除了伴随有嗡鸣和尖啸声外,并无任何先兆,是突发性的[22l。 叶片切向速度要比叶轮面风速大得多,摆振引起的攻角变化很小,几乎不引起气动 力的变化,几乎不引入气动阻尼,失稳的风险较大。有时在风力机叶片尖部加装阻尼器 来抑制叶片摆振。

叶片振动过程中的能量主要集中于低频处,所以挥舞和摆振是风机叶片的主要振动, 扭转在高阶不是主要振动队24]。 2.4齿轮振动研究

风力机中齿轮箱较其他部件寿命较短,齿轮箱故障一般会导致其他部件发生并发故 障。而且更换齿轮,大多数要拆下叶轮,不仅维修费用高,而且常常由于恶劣天气和不 易抵达,使停机时间加长,造成发电损失。因此,风力机齿轮振动的研究具有重大的意 义。

(l)齿轮故障中的调制现象

在齿轮箱的振动频谱中,常见到啮合频率或其谐频附近存在一些等间距的频率成分, 这些频率成分称为边频带,边频带反映了振动信号的调制特征。边频的增多在某种程度 上揭示了齿轮故障的发生,边频的距离反映故障的来源。调制可分为幅值调制、频率调 制等[25]。 ①幅值调制

幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响而造成的。比较典型的例子是齿轮 偏心使两齿轮的中心距随转速周期变化,从而节线冲击或啮合冲击的强弱也随之发生周 期变化。

设齿轮的啮合振动载波信号为x(t)二xsin(2:fct+甲),没有高阶频谱成分,fc为啮 合频率。偏心啮合时两齿轮的中心距可表示为A(l+ecos27tfrt),fr为齿轮轴旋转频率, e为齿轮的中心距。受上式的调制,偏心啮合时的振动信号为: x(t)=AX(1+eeos27tfrt)sin(2:fct+甲) x(t)在频谱中可表示为:

IX(0}=AX6(f一fc)+AXe6(f一fc一fr) 2.AXe6(f一fc+fr)十—Z

调制后的信号,除了含有啮合频率fc成分外,还增加了fc一fr和fc+fr边频成分。 实际的齿轮振动信号,载波信号和调制信号都含有高阶谐频,所以在频谱上会形成 围绕啮合频率及其高阶谐频两侧的边频族。 ②频率调制

调频波是瞬时频率按调制信号变化。当齿轮齿距不均匀时,啮合冲击的间距也不均 匀,这就导致啮合频率受到齿距误差分布函数的调制;若主动轮转速忽快忽慢,也会使 啮合频率受到调制。 华东理工大学硕士学位论文

动;当叶片运动到下方极限位置而返回向卜运动后,出现相反的情况120]。叶型扭心、气

动中心、重心分布图如图2.5所示。整个过程中,空气动力是激振力,与叶片转动速度 的二次方成正比,与空气对叶片的阻尼力成反比。使叶片中心前移以减小惯性力矩可以 防止叶片经典颤振发生。 弹性线}1{重心线

旨三瓮 气动「朴心 一重心 压力线

图2.5叶型扭心、气动中心、蚕乙分布图

Fig.2.5Elastic,aerodynamieandmasseenierofablede

“失速颤振”是一种特殊的颤振。当攻角比较大,大于临界攻角时,气流沿翼型的 流动不再平滑,而开始分离。升力系数和气动阻尼随攻角的增大而减小。当气动阻尼为 负值,风机叶片在挥舞和摆振方向容易发生失稳[2'l。 a小于临界攻角时a大于临界攻角时 图2.6叶片挥舞振动受力分析图 F19·2·6WindbladeflaPvibrationforees

如果风力发电机在设计点附近运行,如图2.6左图所示,当叶片发生挥舞振动,叶 片弯曲方向与转子流面处的风速方向相同时,来流的速度三角形发生变化,攻角减少, 升力减小,产生附加升力,作用方向始终与振动方向相反,对叶片的挥舞振动起到了阻 尼作用。但当风力机在失速区运行时,如图2.6右图所示,工作点落在升力曲线最大值 的右边,来流的速度三角形发生变化,攻角减小,升力增大,叶片挥舞振动产生的附加 升力与叶片振动同方向,使叶片弯曲运动更加强烈。此时气动力为失稳激振力,如果没 华东理工大学硕士学位论文

映了测试系统的温飘、时飘等参数【川。 ④歪度指标Cw=言:牡1(Ix*一“)3x寻ms(3一6)

歪度指标Cw可以反映振动信号的非对称性。当风力机存在着某一方向的摩擦或碰 撞,会造成振动波形的不对称,使歪度指标Cw增大。 ⑤峭度指标