提要：故障診斷不僅是提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全指數(shù)和經(jīng)濟(jì)效

1、提要：故障診斷不僅是提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全指數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的重要技術(shù)途徑，它還能為風(fēng)電設(shè)備的先進(jìn)維修、設(shè)計(jì)提供認(rèn)識論的支持。本文從故障機(jī)理診斷理論和應(yīng)用實(shí)例的角度，論述了故障診斷支持風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新的可行性，期望有助于我國風(fēng)電發(fā)展戰(zhàn)略的健康推進(jìn)。 1. 風(fēng)電裝備的可靠性、安全與效益 我國風(fēng)力發(fā)電戰(zhàn)略進(jìn)展迅猛，但在初級階段面臨故障多發(fā)。某調(diào)查報(bào)告披露：某7個(gè)風(fēng)場數(shù)百臺風(fēng)機(jī)的年平均發(fā)電時(shí)間相對規(guī)定時(shí)間差約20%，由此帶來的發(fā)電經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到1.7億元，而原因則是故障停機(jī)。如果計(jì)入維修投入，經(jīng)濟(jì)損失將成倍增加。 風(fēng)電產(chǎn)業(yè)期待從粗放經(jīng)營向集約經(jīng)營轉(zhuǎn)變，不僅需要提高裝機(jī)容量，更需實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。而風(fēng)機(jī)故障多發(fā)卻成了

2、實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的攔路虎，甚至有某風(fēng)場數(shù)十臺風(fēng)機(jī)安裝數(shù)年來因故障而從未發(fā)電的報(bào)告。更多的情況是：風(fēng)機(jī)可靠性較低，而又缺乏故障預(yù)警功能，以致較小的故障未能發(fā)現(xiàn)、維修而發(fā)展成重大的安全和設(shè)備事故，不僅造成停機(jī)損失，而且維修費(fèi)用急劇上升，甚至可能超過其產(chǎn)出費(fèi)用。因此，國外已經(jīng)出現(xiàn)了某風(fēng)機(jī)制造商因保修其故障多發(fā)的產(chǎn)品導(dǎo)致企業(yè)入不敷出而破產(chǎn)的報(bào)道。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)必需走出此類歧途。 2. 故障診斷對于維修進(jìn)步的基本價(jià)值 故障診斷技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)入風(fēng)電安全監(jiān)測領(lǐng)域，為跳出上述歧途提供了技術(shù)條件。 故障診斷的基本宗旨是及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，提請視情維修。它雖然不能防止發(fā)生故障，但能防患于未然。好比以經(jīng)常性的體檢及時(shí)發(fā)現(xiàn)病情并指導(dǎo)及

3、時(shí)治療，就能防止小疾發(fā)展為大病，就能以較小的代價(jià)恢復(fù)健康，使病員能贏得健康和更長的壽命，為社會做出更大的貢獻(xiàn)。 在缺乏診斷技術(shù)的條件下，設(shè)備的保養(yǎng)、維修幾乎難有重要作為，往往是等到設(shè)備停轉(zhuǎn)再用新的替換舊的。一位權(quán)威人士不無感嘆地說：比如齒輪箱的地腳松動如能及時(shí)檢測發(fā)現(xiàn)，只需重新調(diào)心和緊固螺栓就能確保長期安全運(yùn)行，何苦導(dǎo)致全面破壞、停機(jī)、賠償、更換！運(yùn)營部門也感到苦不堪言：如果預(yù)知故障所在，就可以早訂備件、及時(shí)維修，何苦匆忙采購、長期等待，坐失發(fā)電的黃金季節(jié)！ 制造商和用戶的苦衷，完全可以用故障診斷技術(shù)解脫。jk07460風(fēng)電機(jī)組在線故障診斷系統(tǒng)投入使用以來，產(chǎn)生了滿意的效果。首臺診斷裝置在an

4、bonus600kw風(fēng)機(jī)上安裝，立即發(fā)現(xiàn)其電機(jī)前端軸承滾子故障。趁著風(fēng)機(jī)維修換下該軸承，防止了風(fēng)機(jī)因該故障而出現(xiàn)事故和計(jì)劃外停機(jī)，而該軸承通過更換故障滾子又可再次服役。代價(jià)甚微卻取得了兩全其美的效果。如圖1、2。圖1：故障診斷發(fā)現(xiàn)電機(jī)前軸承滾子圓周故障圖2：分解檢查，發(fā)現(xiàn)滾子裂痕 故障診斷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)gamesa g58風(fēng)機(jī)電刷故障并殃及滑環(huán)，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)長期運(yùn)行的電刷嚴(yán)重磨損。及時(shí)更換電刷和修磨滑環(huán)，解決了經(jīng)常出現(xiàn)的跳閘、停發(fā)問題，如圖3、4。圖3：診斷發(fā)現(xiàn)軸承正常，但有電刷故障圖4：停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)電刷、滑環(huán)故障 3. 故障機(jī)理診斷與裝備缺陷的識別 故障機(jī)理診斷技術(shù)的發(fā)展，使得它可以從原來的出發(fā)點(diǎn)

5、探尋故障信息規(guī)律，進(jìn)步到了探求故障發(fā)生的原因，以致能夠?qū)τ脩籼峁└玫?、雖不能“優(yōu)生”但可以“優(yōu)育”的建議，即先進(jìn)維修。設(shè)備是一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)，各種部件互相依存，相互制約，否則就不能工作。 故障機(jī)理診斷注重對客觀機(jī)械裝備的結(jié)構(gòu)關(guān)系、力學(xué)環(huán)境和運(yùn)行過程的研究，然后基于“結(jié)構(gòu)完整性”理論進(jìn)行綜合分析，研究內(nèi)因，也研究外因，通過建立故障發(fā)生機(jī)理的物理模型，研究故障信息的特征，從而建立信息特征與故障現(xiàn)象和原因之間的聯(lián)系，作為基于確切的特征信息識別故障的基礎(chǔ)。顯然，它強(qiáng)調(diào)所提取的信息與所關(guān)注的故障機(jī)理之間的對應(yīng)關(guān)系，為了解故障發(fā)生的原因準(zhǔn)備了條件，而若干僅憑對大量正常機(jī)器的信息和有故障機(jī)器的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的

6、模糊診斷則很難具備此能力。 外因是條件，內(nèi)因是根據(jù)。許多零部件經(jīng)受了長壽命試驗(yàn)，但同型的新部件在組合于機(jī)器中后，在一批機(jī)器上故障多發(fā)，而在另一批同型機(jī)器上卻能安全服役。某型號的軸承，在不同的而功率相近的齒輪箱同一部位工作，有的多發(fā)故障，有的卻故障很少。特別是，損壞的軸承時(shí)常表現(xiàn)為定點(diǎn)疲勞。零件的內(nèi)因不變，則故障的原因就必然歸于外因條件。先進(jìn)的維修，就不應(yīng)是僅僅更換故障零件，而應(yīng)當(dāng)消除導(dǎo)致該零件加速失效的外因。如果外因不能排除，就需要選用不受或較少受該外因影響的、具有特殊內(nèi)因的部件。 例如，因?yàn)檎J(rèn)識的局限性，設(shè)計(jì)者可能忽視傳動系統(tǒng)的特殊載荷條件，總以為所驅(qū)動的平行齒輪沒有強(qiáng)大的徑向力；減速器設(shè)計(jì)

7、者未必對軸承與齒輪的特殊匹配需求加以考慮，也許以為軸承、齒輪的載荷是均布的等等。 為了實(shí)現(xiàn)故障信息的提取、識別和故障預(yù)警，故障診斷工作者需要研究機(jī)器部件最早發(fā)生疲勞的原因和信息特征，特別是研究機(jī)器多發(fā)故障的原因和信息特征，找出最能支持早期故障預(yù)警的信息規(guī)律。這種研究，實(shí)際上是從機(jī)器的安全和可靠性角度，對機(jī)器作深層次的認(rèn)知。而機(jī)器的設(shè)計(jì)師主要考慮的可能是實(shí)現(xiàn)機(jī)器的性能和常規(guī)的、相對理想的載荷條件。 研究這種故障機(jī)理和據(jù)此提升的“一種減少齒輪傳動系統(tǒng)故障率的軸承、齒輪匹配設(shè)計(jì)制造方法”1，可以用數(shù)學(xué)模型描述故障多發(fā)的規(guī)律，從而可以預(yù)先識別設(shè)備的缺陷。 4. 故障診斷與先進(jìn)維修和設(shè)計(jì)創(chuàng)新 4.1 關(guān)

8、于軸承齒輪的匹配設(shè)計(jì)和維修問題 如圖5所示：某齒輪箱的設(shè)計(jì)雖然要求中速軸和高速軸兩個(gè)傳動齒輪之間必須留有合理的間隙，不允許大小齒輪的齒頂擠壓另一個(gè)齒輪的齒溝。但如果電機(jī)軸與齒輪箱高速軸不對中如圖6，該外部條件就將消除齒輪間隙，小齒輪兩端的軸承都將承受附加徑向載荷，成為誘發(fā)故障的外因；由于軸承的游隙遠(yuǎn)小于齒輪的間隙，于是，當(dāng)高速軸前端軸承的內(nèi)環(huán)受到來自聯(lián)軸器和齒輪某對齒所施加的徑向力時(shí)，如果該力正好作用于一個(gè)滾子（而不是兩個(gè)滾子之間），則該作用力就通過該滾子傳遞到軸承的外環(huán)，破壞了設(shè)計(jì)者期望的至少由兩個(gè)甚至多個(gè)滾子承受載荷的理想條件，這無疑要引起固定的外環(huán)和轉(zhuǎn)動到該承載區(qū)的內(nèi)環(huán)定點(diǎn)疲勞。同理，如

9、果某齒輪總是有某幾個(gè)齒在嚙合時(shí)產(chǎn)生上述的受力機(jī)制，則這幾個(gè)齒或其齒溝也將發(fā)生定點(diǎn)疲勞，甚至引起該齒輪軸的定向疲勞、裂紋、折斷。這種事例在鐵路車輛傳動系統(tǒng)中常有發(fā)生。圖5：某齒輪箱的結(jié)構(gòu)示意圖圖6：由于聯(lián)軸器不對中所致故障的外因圖解 該齒輪箱齒輪齒數(shù)是：大齒輪cd=72，小齒輪cx=29；前端軸承的參數(shù)是：中徑d0=177.3mm，滾子直徑d=35mm，滾子數(shù)z=15。根據(jù)“定點(diǎn)疲勞”理論1，計(jì)算該齒輪箱高速軸的可能多發(fā)故障如下。 xw個(gè)滾子滾過外環(huán)承載點(diǎn)對應(yīng)齒輪嚙合次數(shù)yw的函數(shù)： yw=2*d0*cx*xw/(d0-d)*z =2*177.3*29*xw/(177.3-35)*15 =4.8

10、177091xw 若xw=5,則yw=24.08854524,偏差-0.088545，外環(huán)-滾子-齒輪對沖疲勞幾率jw=1/xw=1/5=20%，cdd=cd/yw=72/24=3，整數(shù)，大齒輪存在3個(gè)均布的定點(diǎn)疲勞點(diǎn)！ xn個(gè)滾子滾過內(nèi)環(huán)承載點(diǎn)對應(yīng)齒輪嚙合次數(shù)yn的函數(shù)： yn=2*d0*cx*xn/(d0+d)*z =2*177.3*29*xn/(177.3+35)*15 =3.229204xn， 若xn=9，則yn=29.06283629,偏差-0.062836；即內(nèi)環(huán)存在1個(gè)定點(diǎn)疲勞故障點(diǎn)，它每轉(zhuǎn)一周，再次到達(dá)承載區(qū)時(shí)，正好與第9個(gè)滾子及小齒輪第29齒對沖沖擊。 cdd=cd/yn=7

11、2/29=2.4827506，非整數(shù)，大齒輪不存在定點(diǎn)疲勞！ cxd=cx/yn=29/29=1.0000000，是整數(shù)，小齒輪存在1個(gè)定點(diǎn)疲勞點(diǎn)！ 由上述計(jì)算可以預(yù)見：由于以上軸承齒輪匹配存在定點(diǎn)疲勞因素，該高速軸前端使用該軸承存在內(nèi)環(huán)故障多發(fā)的內(nèi)因，在聯(lián)軸器不對中等外因引發(fā)下，必然多發(fā)故障。在gamesa g52風(fēng)機(jī)上安裝的jk07460診斷系統(tǒng)檢測到了相應(yīng)的結(jié)果如圖7。按照故障頻譜的理論計(jì)算，該內(nèi)環(huán)每轉(zhuǎn)一周，故障點(diǎn)與9個(gè)滾子在不同方位沖擊，但因?yàn)榇嬖诙c(diǎn)疲勞因素，該故障在每次通過承載區(qū)時(shí)與一個(gè)滾子對沖，而小齒輪也以同一個(gè)異常的齒與大齒輪不同的齒嚙合，產(chǎn)生了比在其它位置與滾子沖擊時(shí)強(qiáng)數(shù)倍的

12、信號，如圖7的第一行波形。第2行的頻譜與第3行的理論頻譜完全吻合，診斷系統(tǒng)報(bào)告內(nèi)環(huán)故障達(dá)到約55db。圖7：內(nèi)環(huán)定點(diǎn)疲勞故障的特征 基于以上分析，可以斷言：如果該高速軸的前端軸承更改一種安裝尺寸可以互換的型號，并經(jīng)過計(jì)算證明不存在定點(diǎn)疲勞因素，則該位置的軸承故障率可以大幅度降低。該建議之所以能夠?qū)嵤?，是因?yàn)橥妄X輪箱的該位軸承本來就存在多種型號，而只有當(dāng)前使用的型號出現(xiàn)故障多發(fā)的現(xiàn)象。 限于篇幅，本文不能對各種齒輪箱的各種軸承、齒輪作出分析。但如果在維修和設(shè)計(jì)中引用定點(diǎn)疲勞理論對軸承加以選配，就可望大幅度減少故障發(fā)生的機(jī)率，就可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)維修和設(shè)計(jì)，就有望促進(jìn)風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。 4.

13、2 關(guān)于電刷滑環(huán)的設(shè)計(jì)和維修問題 雙饋發(fā)電機(jī)通常有4組電刷滑環(huán)，其中a、b、c三相用于勵(lì)磁引電，可能是因?yàn)殡娏鞔蠖O(shè)計(jì)了多個(gè)基本均布的電刷。但幾乎所有的d相電刷卻只有1個(gè)，可能是因?yàn)樗饕糜诙搪钒l(fā)電機(jī)的軸電壓而短路電流又很小的緣故。 問題是：該d相電刷和滑環(huán)故障多發(fā)，如圖4。不僅引起強(qiáng)烈的沖擊，甚至引起跳閘。此類問題在其它發(fā)電領(lǐng)域也普遍存在。 故障機(jī)理診斷的研究認(rèn)為：以為傳輸電流小就可以用1個(gè)電刷，是可靠性設(shè)計(jì)理念的偏頗。在振動條件下，一旦電刷瞬時(shí)開路，軸電壓就在電刷滑環(huán)之間引發(fā)電弧，燒損電刷滑環(huán)，引起接觸不良和運(yùn)轉(zhuǎn)沖擊，進(jìn)而出現(xiàn)惡性循環(huán)，故障迅速擴(kuò)展。 這是因?yàn)?，為了保障電刷對滑環(huán)的壓力不

14、太大以免迅速磨損，電刷的彈簧都設(shè)計(jì)得較軟，以致其廣義共振頻率很低，使之不能跟隨滑環(huán)的振動和沖擊，單個(gè)電刷極易發(fā)生廣義共振而頻繁瞬時(shí)開路。為了在電刷壓力不增大的條件下保障軸電壓等接地回路暢通，使用對稱分布的兩個(gè)電刷仍不可靠，使用120度均布的3個(gè)電刷則是可靠的2。實(shí)際上，電刷安裝支架已經(jīng)具備，如圖8。只要認(rèn)識了電刷滑環(huán)故障的這種廣義共振機(jī)理，增加電刷則是輕而易舉的。事實(shí)是：如果不增加電刷，在已經(jīng)有滑環(huán)故障或者電機(jī)振動大時(shí)，每13個(gè)月需要更換一次電刷，而如果直接使用3個(gè)均布的電刷，（在滑環(huán)修復(fù)后）則使用12年也不會損壞，因?yàn)槭褂枚嚯娝⒌腶、b、c電刷滑環(huán)就很少出現(xiàn)故障。改進(jìn)維修和設(shè)計(jì)，就能減少備件消耗、維修工作量、故障停機(jī)，取得更高的可靠性和生產(chǎn)效益。圖8：d相有條件安裝多個(gè)均布電刷 5. 結(jié)束語 僅列舉了幾個(gè)實(shí)