宋占胜
摘要：风能作为一种清洁能源，发展迅速。由于风电机组通常在野外，环境条件恶劣，而且容易发生故障，因此维护保养需要耗费大量的人力物力。我国在风机故障诊断方面开展了大量的研究，并取得了丰硕的成果。给出了各种状态监测方法和信息融合诊断技术。这些研究大多基于数值计算和理论分析，并提出了各种控制措施。但由于风电机组的复杂性和运行环境的多变性，在设计之初就要考虑风电机组的振动特性，进行优化设计，并进行相应的试验验证，以避免出现异常振动。
关键词：风力发电机组;异常振动测试;诊断
1研究概况
某风力发电机组电机整体通过4个隔振器弹性安装在基座上，电机-隔振器-基座组成的电机系统与增速齿轮箱所在的塔筒基座通过8个螺栓纵向连接，该基座下部悬空，以齿轮箱安装基座面为基准呈悬臂梁状态。箱体上布置三条横向加强筋，铁芯与横向加强筋通过4个点焊接刚性固定。发电机工作方式为水冷，通过左侧面的进出水口循环，水箱安装在电机顶部的箱体上。风力发电机运行转速范围为600rpm～1380rpm，正常并网发电转速为900rpm～1200rpm。
2振动特性
2.1齿轮啮合频率
啮合频率是两个齿轮转动一个节面角所需时间的倒数，可由式（1）确定。
（1）
式中：n为主轴转速即风轮转速，rpm;z为齿数。
风电机组齿轮箱采用1级行星/2级平行轴传动结构，如图1所示。
第一级为行星轮系，行星齿轮架为输入端，内齿圈固定，太阳齿轮为输出端。主要参数有：太阳齿轮齿数Z2、行星齿轮齿数Z3、内齿圈齿数Z4。当一级行星轮系传动比为I1，内齿圈转速N4=0，太阳齿轮转速N2=I1·n，行星齿轮转速N3=n，即可计算出太阳轮、行星齿轮和内齿圈的啮合频率。
以此类推，容易得出中间轴及高速轴齿轮的啮合频率计算方法。
2.2轴承通过频率
轴承的特征频率与自身尺寸有关，计算公式如下：
内圈通过频率：
外圈通过频率：
滚动体特征频率：
保持架固有频率：
由公式及参数，便可求出理论轴承特征频率，在实际应用过程中发现，计算得出的理论特征频率与实际特征频率极其接近。
3试验台架振动测试
3.1初步敲击测试
静止状态下，在电机接线端一侧的平面4个角点上布置4个法向加速度测点，力锤敲击某角点位置，在10Hz～20Hz范围内，出现2个峰值位于11.38Hz、17.7Hz。
3.2静止状态模态测试
静止状态下，在电机上表面、下表面、左侧面、右侧面和电机轴端，共布置30个振动加速度测点。锤头敲击电机右侧面和上表面，分析电机各表面模态和整体模态结果。
敲击结果峰值频率为5.72Hz、8.9Hz、11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz。
11.2Hz对应的主振型以轴为主线左右平动，15.6Hz对应的主振型为上下表面平动，17.7Hz对应的主振型为弯曲、扭转的耦合振动。
3.3升速测试
根据试验台架静态敲击模态试验结果，进行600rpm～1200rpm的升速试验。在11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz频率附近对应的转速670rpm、940rpm、1070rpm附近转速以每10rpm为间隔加密测试，其余转速以每30rpm为间隔测试。
试验结果表明，试验台架的升速试验过程中，所有测点振动较小，并未发生异常振动。其中，11.2Hz频率成在升速过程中，只在670rpm有较大峰值，该频率幅值随转速升高而下降。17.7Hz的频率成分在所有转速均有体现，在1060rpm转速处达到最大峰值。
4风电现场振动测试
4.1第一风场现场测试数据分析
4.1.1电机静止状态模态测试结果分析
静止状态下，电机上共布置30个振动加速度测点，测点位置与试验台架模态测试相同。力锤橡胶锤头敲击电机左侧面、上表面和前轴承端盖表面，分析电机模态结果。
电机敲击结果峰值频率为5.72Hz、11.3Hz、15.6Hz、17.9Hz、53.8Hz。其中11.3Hz、15.6Hz、17.9Hz模态振型与台架相同，53.8Hz对应的主振型为水平方向同步振动（左右电机表面弯曲振动）。
4.1.2电机运行状态测试结果分析
电机运行状态测试包括三种状态：
（1）电机空转升速测试;
（2）电机加励磁不并网测试;
（3）电机并网发电测试。选择电机左侧面水平向测点和垂向测点作为分析的典型代表。现场振动测试表明：电机空转升速过程中，电机振动状况良好。两个方向的测点速度振幅随着转速升高变化而增大，最大振幅都不超过1mm/s。水平向测点主要频率成分是1倍轴频、17.75Hz（不随转速变化）、53.8Hz（不随转速变化）等。垂向测点主要频率成分是1倍轴频、17.75Hz（不随转速变化）、5倍轴频等。转子加励磁后振动迅速增大，电机左右侧面表面振感强烈，并网发电时也出现相同症状。
4.1.3风场测试初步结论
通过对10号电机上述三个不同工况的振动测试分析，可得出如下结论：
（1）电机空转升速测试表明：电机-隔振器-安装基座组成的电机系统在运行转速范围内整体没有共振发生;
（2）电机加励磁及并网测试表明：电机异常振动特征频率为50Hz。为进一步验证上述结论，对同一风场的2号电机进行了相同工况的振动测试。
4.2第二风场现场测试数据分析
通过对第一风场现场测试数据的分析，表明异常振动特征频率为50Hz。第二风场开展两方面的验证：
（1）进一步验证电机在50Hz附近的模态振型;
（2）通过对转子施加不同的励磁频率，测试不同励磁频率下的电机响应。
4.2.1电机静止状态模态测试结果分析
在第二风场主要针对电机水平向的模态振型，在电机左右侧面的三条水平向加强筋上增加了测点，并增加了电机前后轴承的测点。
4.2.2电机运行状态测试结果分析
通过变频，分别施加32.5Hz和60Hz的励磁电流，测试结果表明振动正常。为施加32.5Hz左右的励磁电流（200A增加到270A）时电机水平向测点的振动响应。可以看出速度频谱幅值极小，最大不超过0.1mm/s，远小于50Hz励磁时的15mm/s的速度振幅。
对比正常电机和异常电机的差异，选择某正常并网发电机组进行了振动测试。最大振幅约为1mm/s，主要为电机轴频17.75Hz。
結论
完成了某型风力发电机组在试验台架、现场的转子系统和整机振动特性测试。针对异常振动电机进行了诊断，提出了改进建议，并对改进前后的转子特性进行了试验。改进后的风电机组均已投入正常使用，表明改进建议合理。
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