风电机组轴承状态监测和故障诊断

风电机组轴承状态监测和故障诊断

摘要

在风电快速发展的今天，风电机组轴承的状态检测、故障诊断与运行维护路径已经成为保证风电供给能力的关键内容。文章详细分析风电机组轴承状态检测、故障诊断及运行维护路径的

在风电快速发展的今天，风电机组轴承的状态检测、故障诊断与运行维护路径已经成为保证风电供给能力的关键内容。文章详细分析风电机组轴承状态检测、故障诊断及运行维护路径的相关内容，并对其技术要点进行了详细研究，希望能对相关人员工作有所帮助。

关键词：风电机组轴承;状态检测;故障诊断;运行维护

风能作为一种绿色的可再生能源，已经成为目前解决能源短缺的重要突破口。近几年我国正在全面推广风能建设，大规模的风电接入也蓬勃开展，有效满足了当前社会发展对电能的需求。但是从多个地区的实践经验来看，风电机组的轴承是影响发电能力的关键，在电能需求扩大的背景下，对风电机组轴承的状态检测、故障诊断与维护势在必行。

1风电机组轴承的状态监测

随着现代信息技术的进一步发展，信息技术已经被广泛应用在故障诊断中，并成为保证风电机组轴承运行能力的关键。从目前相关地区的实践经验可知，常见的轴承状态检测方法就是数据采集与监视控制系统(SCA-DA)，该系统能够对轴承的运行状态进行检测，并已经取得了一定成绩。从运行状态的角度来看，风电机组与普通的发电机组具有独有的特征：火力或者水电发电机组的单机功率要明显大于风电机组，且机组的数量少，所需要监测的点不多;但是风电机组的单体运行功率低，整个电场往往有数十台甚至上百台的机组，这就需要在状态监测期间所选择的传感器数量很多，需要采集的通信数量也要明显大于常规发电机组。在这种情况下，整个风电机组的轴承状态监测的难度较大[1]。针对这种问题，数据采集与监视控制系统的出现满足了未来风电机组状态检测的要求，该系统的基本结构如图1所示，在将该系统应用到风电机组的轴承检测中之后，系统可以按照预先设置的时间频率要求，定期将轴承的运行状态数据发送到中央数据库中，此时信息采集的频率可以根据轴承管理要求而定，包括10min/次、20min/次，30min/次等，并累计一个小时的数据之后，取其中的平均值，生成图表，方便工作人员随时监测轴承的运行状态。现代研究发现，电机的机械故障可以通过感应电动机的终端发电机输出显示出来，通过系统对感应电动机的功率、电流、电压等关键参数进行识别，形成稳定功率谱，此时稳定功率谱所显示的异常数据变化，都可以用来反馈相关零部件的性能。目前该方法已经被应用在发电机的轴承、转子的断条、气隙偏向等常见的故障诊断中，并已经取得了一定的成绩。受现代网络技术的影响，工作人员在利用数据采集与监视控制系统对风电机组的轴承状态进行监测期间，可以联合应用振动传感器，通过振动传感器，将轴承的振动平均数据与系统所采集的其他数据进行对比，方便工作人员更好地了解风电机组的运行状态数据。

2风电机组轴承的故障诊断

2.1风电机组轴承失效的形式及故障演变

在风电机组轴承的正常运行条件下，振动型号的频谱范围窄，此时所能够产生的振幅小，噪音也很小，此时微小的振动可能是轴承本身所存在的小缺陷所引起的。在轴承稳定运行期间，振动波形是有规律的，并且振幅也在控制在一定水平下。而随着风电机组运行时间增加，轴承逐渐达到运行寿命，失效现象开始出现，而此时的轴承会因各种失效原因而出现加剧振动问题，此时的轴承出现故障，文章将其分为以下四个时段：(1)滚动轴承故障的初始阶段。此阶段是故障出现的萌芽阶段，轴承的各项指标都正常，只有在尖峰能量上可以发现少许的变化，同时频谱建设结果也能发现一些异常，机组整体运行相对平稳。(2)滚动轴承的轻微故障阶段。此阶段轴承运行期间的噪音逐渐增加，但是统计结果发现轴承的各项运行指标相对正常，而尖峰能力已经发现明显的突变，谱宽明显增大，机组运行失稳现象开始出现。(3)滚动轴承的宏观故障阶段。在这个阶段，已经认为听到噪音，监测系统发现轴承的工作温度异常变化，平铺图上能够发现谱宽增加，出现明显的混乱;尖峰能量持续增加，一般在此阶段就是更换轴承的最佳时机。(4)滚动轴承故障的最后阶段。该阶段是轴承运行的临界点，随时有可能引发灾难性后果，应该注意避免轴承在此阶段运行。

2.2基于故障树风电机组轴承的故障诊断

为了可以对风电机组轴承的故障情况做出详细评价，需要工作人员结合风电机组轴承的各种故障隐患进行识别，再结合一系列的科学手段，对各种潜在故障隐患进行分析，这样才能最大程度上保证风电机组的运行能力。故障树分析法是以逻辑图为核心的演绎分析方法,该方法以图形的方式表达出来，从故障状态出发，通过逐级对故障模式与故障部件进行推理分析，最终确定不同零部件可能出现故障质量问题的概率与原因[2]。文章结合变桨轴承与偏航轴承，对其故障诊断做详细分析。对于风电机组轴承而言，变桨系统是在风速过低、过高的情况下，通过调整桨叶节距来改变气流对叶片的攻角，最终改变风电机组所获得的空气动力转矩，保证了功率输出的一致性。偏航系统具有两个功能，不仅能够确保风轮跟踪风向，而且能解决由于偏航，机舱内引出的电缆发生缠绕时的问题，自动解缆。从运行过程来看，变桨轴承与偏航轴承会承受较大的倾覆力矩，并且裸露在外的部分容易受到水汽、风暴等灾害影响，最终引发质量问题。同时，该部位还需要承受着不定风力所产生的冲击荷载，会出现较为频繁的启停现象，整体传动比都处于较高的水平下，出现荷载的概率更高。变桨轴承与偏航轴承本身具有不完全旋转的特征，导致轴承在特定阀内内只能在较小的角度下摆动，导致滚动体不是沿着整个滚道滚动，即使只是一定了很小的距离，但是一直是同一部分的滚动体受载荷的作用。在这种情况下此类轴承发生故障原因多为轴承润滑不好造成的磨损、螺栓松动引起轴承移位和安装不当引起轴承变形。在故障树概念下，文章对其故障情况做进一步细分，详细内容如图2所示。

3风电机组轴承的运行维护路径

3.1风电机组轴承的日常检查与管理

(1)轴承连接件的选择与紧固。在风电机组运行期间，为了最大程度上保证机组的运行能力，需要对轴承的运行性能进行识别，重点关注轴承连接件的性能指标变化，因此在运行维护期间，需要工作人员加强对轴承的检查与维修，及时发现其中的潜在安全隐患，并提出改进措施，这样才能避免轴承质量问题发生。在轴承连接件的选择期间，考虑到轴承普遍会通过螺栓固定在主机上，变桨轴承外圈与轮毂连接，内圈则与风机的叶片连接在一起，偏航轴承无齿圈与塔架相连，有齿圈与座舱相连。考虑到这种技术特殊性，工作人员在运行维护期间需要重点检查螺旋的性能，通过选择相对应的轴承连接件来强化整体性能。从目前相关地区的经验可知，目前风电机组的轴承连接件的质量等级分别为10.9级、12.9级等，其中国内较多使用10.9级[3]。除此之外，工作人员还应该注意避免以下问题：第一，严禁使用通螺纹的螺栓;第二，螺栓的长度应该大于等于5倍螺栓直径;第三，在安装螺栓时，考虑选择调质平垫圈，不能使用弹簧垫圈。在紧固维护期间，确定轴承径向定位后，于螺纹位置涂抹少量的润滑油采用"十字交叉拧紧法";安装螺栓，使整个圆周上获得均匀的紧固力。(2)轴承润滑油保养。第一，润滑油的型号选择。在风电机组运行期间，轴承的润滑养护是保证其运行能力的关键，根据现有工作经验可知，黏性是润滑油脂的关键指标，在轴承运行期间，应该确保轴承的油脂选择可以适应当前环境因素的变化，避免在运行期间因为油脂年度过大而影响油脂排出;或者因黏度较小而无法隔离滚动体与滚道等，加快轴承的磨损。对工作人员而言，必须根据风电机组轴承的型号加入润滑油脂，选择适合本地区的型号;在更换油脂期间，需要彻底清除之前的原有油脂，严禁出现混用的问题。第二，润滑通道堵塞。目前在部分风力发电机运行期间，因轴承排脂口和废脂盒容积均较小，导致废油脂不能顺畅排出，堆积填充在轴承端盖单元内，最终充满空腔，而这种情况也会导致新加入油脂无法顺利达到轴承滚道内，造成润滑效果不理想的问题，缩短了轴承的使用年限。针对这种问题，在运行维护期间，可对发电机轴承排脂口和废脂盒进行技改扩大，保证排脂通道畅通，并在定期维护当中对废脂盒中的废脂及时清理，避免油脂堆积，有利于观察排脂通道是否畅通，若发现堵塞情况，应该及时排除，避免堵塞扩大。

3.2轴承的存放与保管

风电机组的轴承都有使用时限，所以在运行维护期间，工作人员需要积极开展轴承的存放与保管工作，主要内容如下：(1)轴承存放、保管的核心是防锈，在出厂前，需要对轴承做防锈喷涂处理，并用牛皮纸、塑料薄膜等包括期间，避免受潮。对工作人员而言，所有出厂后的轴承防锈期不会超过12个月，针对超过这一时间段的轴承，需要做清洗并第二次油封处理。(2)轴承应被放置在通风干燥位置，并注意远离存在腐蚀性的物体周围。若储存期间需要多个轴承叠加在一起，需要在每个轴承之间至少放置3个高度相同的木质垫板，避免轴承之间相互接触。(3)密封性检查。工作人员需要在轴承运转期间需要至少每6个月检查一次密封，密封边缘必须保持没有污垢，密封条无过度拉伸或破损的现象，若发现异常，则需要做进一步检查。

4结束语

在风电机组运行期间，轴承发挥着举足轻重的作用，从文章的研究结果可知，为了可以强化轴承的运行能力，需要工作人员重视对各种可能引发轴承性能风险的要素进行识别，提出改进意见，最终避免质量问题发生。

参考文献：

[1]黄玲玲,曹家麟,张开华,等.海上风电机组运行维护现状研究与展望[J].中国电