风力发电机振动异常的案例分析
北京海诚信丰科技有限公司
吴剑
服务&振动分析工程师
1.案例
据现场工程师解说，此风机在并网发电时，噪音异常，振动异常，整个风机包括塔筒和地基都随着风机振动。
振动测试开始，现场条件：温度23ºC，风速4到7 米/秒。
风机空载1000转运行测量，总共测试10测点，分别为：主轴承，齿轮箱低速轴发电机端轴承座竖直方向和水平方向，中间轴和高速轴轴向，高速输出轴竖直和水平方向，发电机前端轴承，后端轴承，以及高速轴发电机端轴承座的加速度轴心轨迹。
由于之前轴承压盖和高速轴的已经存在磨损，刹车盘以及刹车片都已重新更换，但是振动依然很强烈。
根据所测的频谱图可以看出，振动源主要是齿轮箱高速轴传出的，通过高速输出轴加速度轴心轨迹的测量更加确定问题就是高速轴的问题。
在提供振动分析报告后，现场工作人员，将高速轴拆开，发现轴已经出现裂纹，在更换高速轴后，振动正常。
2.风机状态
这台风机正处于调试阶段，调试时出现振动异常现象，据现场工程师叙述，此前风机高速输出端出现问题：刹车盘磨损，刹车片磨损，高速输出轴轴承压盖磨损异常。
此后在现场工程师的共同协助下，对风机进行了一系列的处理，包括：刹车盘和刹车片更换，并重新对中（发电机端与齿轮箱高速轴），轴承压盖内侧用车床车掉几丝，以保证输出轴与压盖不摩擦。
图1 磨损的轴承压盖
图2 磨损的高速输出轴
准备阶段
测量准备阶段
3.测量
3.1 数据库
本数据库是由我公司工程师经过多年的经验积累，已经成功的应用到多个案例当中。
图3 数据库
数据库解析：本数据库把各个要测量的点都罗列出来，并根据每个测量的不同要求设立了不同的测量任务。
例如高速轴竖直方向，我们设定了1015振动总振值，1016速度频谱，1018时域波形，1021轴承包络图，1019加速度频谱以及临时测量的加速度轴心轨迹。
3.2 现场
此次测量是在不并网发电低转速的情况下进行的，原因：
1．业主不允许这样做，因为上次并网测试，振动极大，整个塔架和塔架地基都在剧烈振动，担心会造成事故。
2．业主担心设备的运行会造成2次伤害，由于此风机即将要交付业主，他们担心剧烈振动会造成其他部件的损坏，例如发电机，塌架，基础。
3．我公司本着安全第一的原则，在不并网低转速的情况下进行测量，其结果是可行的。
因为并不并网发电和高低速运行，只是在故障信号的大小上有区别，我们所要做的就是，只要能发现故障的根源在哪里。
根据以上几点，我们做出决定：测量在1000转空载的情况下进行。
4.测量结果与数据分析
4.1 主轴承的测量
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date
f [Hz]
t [ms]图4 主轴承的总振值，包络和时域波形
主轴承的总振值RMS为0.39mm/s，包络和时域波形也没有明显的故障表现。
4.2 低速轴发电机端的分析
f [Hz]
f [Hz]
t [ms]图5 竖直方向包络和加速度频谱
首先包络图里是178.88Hz及其谐频，并带有16.25Hz的转频边带，这是典型的轴承内圈故障现象，不过从下面的加速度频谱，可以看出，高频区间没有共振现象，而且时域波形也没有明显的冲击现象，故此频率可能来源于油泵（齿轮泵的啮合频率）。
f [Hz]
f [Hz]
图6 水平方向包络和加速度频谱
水平方向的包络图和加速度频谱与竖直方向的类似。
4.3 中间轴发电机端的分析
f [Hz]
图7 轴向速度频谱
速度频谱中可以清晰看出，转频及其谐频，可以看出齿轮箱在轴向上，有轴向蹿动，并且根据现场情况，刹车盘在自由转动时，有1到2毫米的轴向偏移。
4.4 高速轴输出端加速度轴心轨迹
图8 传感器安装
根据4.3章所述，刹车盘在轴向上有1到2毫米的偏移，由于之前刹车盘重新换过以及对中用激光对中仪做过，不会存在刹车盘变形和对中不良的情况发生，故对高速输出轴重点察看。
加速度轴心轨迹的测量：利用双通道，A 通道和B 通道，A 通道竖直方向，B 通道水平方向，转速触发和A 通道方向相同为竖直方向，即为轴心轨迹0度角。
[°]
020406080100120140160180200220240260280300320340
360 [°]-0.10
-0.050.000.050.100.150.20a [m/s2 channel B]
图9 滤波1倍频的加速度及其相位
图10 滤波1倍频加速度轴心轨迹
图9 所示，AB通道的加速度相位存在相位差，说明轴的在某一方向上刚性不足，从图10
中可知，最大值出现在149度方向，故高速轴在149º方向上刚性不足。
4.5 高速输出端的频谱分析
f [Hz]
f [Hz]
图11 输出端水平和竖直方向的速度频谱
从频谱图上可知，主要表现在1倍频上，基本上没有2倍频和3倍频，结合4.4分析的刚性不足，而且1倍频上表现出有激励现象，故此高速轴可能存在质心偏移现象。
比较危险，由于现场测试时，风机转速较低，所以振动不是很大，但是一旦转速升高，发电机扭矩升高，这样的激励振动，将会造成严重问题。
16:02:4016:02:4216:02:4416:02:4616:02:4816:02:5016:02:5216:02:5416:02:5616:02:5816:03:00
date
f [Hz]
t [ms]图12 发电机前端轴承座
振动较小，没有明显的故障，只是在包络里，有100Hz的频率，这个是由变频器干扰发出，目前值很小，在接受范围之内。
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date
f [Hz]
f [Hz]
t [ms]图13 发电机后端轴承座
总振值较小0.42mm/s，速度频谱正常，包络里出现100Hz，200Hz，300Hz的变频器干扰，但有1倍频的边带，后续巡检，建议加强此端轴承温度监控，润滑脂的状态巡检。
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总结：
5．总结
结合4.3章，4.4章，4.5章分析可以得出，整个风机的主要振动是来源于高速输出轴，给出报告3天后，现场工程师对齿轮箱高速轴进行拆卸，发现以下问题：
高速轴靠齿轮边缘一段已经出现裂缝。
这个刚好可以验证，之前的判断是完全正确的。
当这段裂缝的齿轮与中间轴捏合的时候，裂缝会完全合起来，轴的运动趋于规则；当裂缝背面齿轮和中间轴啮合时，裂缝这一段做张开状运行，输出端轴承座上会有一个相反方向的运动趋势，即向中间轴方向运动的趋势。
那么高速轴在转动的时候，裂缝处是一个一开一合的运行状态，符合齿轮箱在轴向上会有一个蹿动（4.3章）；裂缝处在转频上，会有激励的现象，轴转频上的振动会随着转速的升高而变大（4.5章）；输出轴轴承座上的加速度轴心轨迹是个椭圆形的运行轨迹，而且最大的分量出现在149度上，即裂缝处处于最大敞开的时候。
（4.4章）
更换高速轴后，整机和齿轮箱的振动趋于正常。