故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究

1、故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 1故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究北京唐智科技發(fā)展有限公司 唐德堯20100831風(fēng)力發(fā)電裝備的可靠性與故障率，不僅制約著產(chǎn)業(yè)本身的經(jīng)濟(jì)效益，而且將影響國家環(huán)保、減排、低碳等基本國策的實(shí)施。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效益與其可靠性及故障多發(fā)現(xiàn)象將是未來的主要矛盾。一年的全部時間為8760h，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求利用率<2600h，若干風(fēng)場的統(tǒng)計表明，實(shí)際利用率<80%，實(shí)際故障率>20%。筆者所從事的研究是旨在提高裝備可靠性的故障診斷研究。致力于機(jī)械裝備的故障診斷與可靠性研究及產(chǎn)品制造與技術(shù)服務(wù)。 致力于以故障診斷技術(shù)保安全！故障診斷做什么？設(shè)備的安全監(jiān)測與故障預(yù)

2、警，提供維修指南，提高設(shè)備的可靠性及經(jīng)濟(jì)、社會效益。 故障診斷怎么做？基本工作是：振動沖擊等檢測、分析和診斷；技術(shù)途徑是：故障機(jī)理研究，特征信息提取；提高目標(biāo)是：認(rèn)知設(shè)備的缺陷，提出先進(jìn)維修和設(shè)計建議。為了保障風(fēng)力發(fā)電戰(zhàn)略的健康推進(jìn)，唐智科技開發(fā)了有關(guān)的診斷技術(shù)與裝備，解決風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)和塔架、葉輪系統(tǒng)等狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷難題。我們的基礎(chǔ)技術(shù)，是在振動監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的“廣義共振與共振解調(diào)技術(shù)”。1，廣義共振與共振解調(diào)技術(shù)什么是廣義共振？經(jīng)典物理學(xué)所述的“共振”，是指“作用力的頻率與物體的固有頻率相同”時發(fā)生的持久過程。他們忽視了啟動過程，也忽視了結(jié)束過程。我們所論的廣義共振則包括：

3、狹義“共振”的持久過程和全面的啟動過程與結(jié)束過程。需要特別注意的是：沖擊，特別容易激勵機(jī)械和檢測傳感器的廣義共振。下圖的實(shí)驗(yàn)表明：沖擊縱波引起傳感器高頻廣義共振；沖擊引起梁的低頻廣義共振;傳感器接收梁的低頻廣義共振；傳感器輸出梁的低頻廣義共振和自身的高頻廣義共振疊加信號;故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 2什么是共振解調(diào)？共振解調(diào)故障診斷技術(shù)， 用于對故障沖擊信息的提取，具有如下7項(xiàng)優(yōu)勢： 收集沖擊脈沖高頻能量集中在廣義共振頻率上釋放，具有放大性； 廣義共振展寬了沖擊脈沖的信息，便于發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測，具有展寬性； 剔除所有低頻振動，只提取故障沖擊的廣義共振波，具有選擇性； 如果沒有故障沖擊就沒有廣義共

4、振波和共振解調(diào)波，具有對應(yīng)性； 廣義共振及解調(diào)波的幅度大小與沖擊的大小成正比，具有比例性； 共振解調(diào)后的信號變換為與沖擊對應(yīng)的低頻的波形，具有低頻性；故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 3 共振解調(diào)頻譜呈間隔均勻的梳狀，不同于振動頻譜，具有多階性。為了實(shí)現(xiàn)故障的共振解調(diào)精密診斷，我們在前人的基礎(chǔ)上，發(fā)展了系列的理論、準(zhǔn)則、北京市科委的鑒定結(jié)論：“該項(xiàng)目的理論和技術(shù)均屬我國自主創(chuàng)新，擁有完全的知識產(chǎn)權(quán)，主要技術(shù)在軌道交通運(yùn)載設(shè)備故障診斷和安全監(jiān)測領(lǐng)域具有重大突破，總體技術(shù)居國際先進(jìn)水平，其中共振解調(diào)的設(shè)備故障診斷技術(shù)居國際領(lǐng)先水平。系列產(chǎn)品為軌道交通運(yùn)載設(shè)備的安全運(yùn)行提供了有力的技術(shù)保證，具有重大的

5、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。”目前，正在地鐵、城軌交通領(lǐng)域推廣，立即獲得重要收獲：故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 4現(xiàn)在，正在致力服務(wù)于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的故障診斷與安全保障，支持先進(jìn)維修和設(shè)計創(chuàng)新。2，風(fēng)電機(jī)組在線故障診斷系統(tǒng)故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 5機(jī)載系統(tǒng)：故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 63，風(fēng)電診斷系統(tǒng)的初步收獲和對于風(fēng)電故障模式的探索與認(rèn)知在提高風(fēng)電可靠性與經(jīng)濟(jì)效益的對策方面，我們認(rèn)為可循的途徑是：基本對策：故障診斷，視情維修，防止擴(kuò)展；適時備件，快速更換，減少停機(jī)。 創(chuàng)新對策：故障診斷，識別機(jī)理，先進(jìn)維修；故障跟蹤，認(rèn)知缺陷，創(chuàng)新設(shè)計。 本節(jié)將從下述5個方面，報告故障診斷技術(shù)對于風(fēng)電可

6、靠性的技術(shù)支持：3.1 用共振解調(diào)診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)軸承齒輪故障自動診斷裝置立即發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)前端軸承滾子故障。趁著風(fēng)機(jī)維修，換下該軸承，發(fā)現(xiàn)故障是：滾子開裂。由于故障診斷識別了人們并不知情的隱性故障，防止了風(fēng)機(jī)因該故障擴(kuò)展而出現(xiàn)事故和計劃外停機(jī)。而該軸承通過更換故障滾子又可再次服役，代價甚微卻取得了兩全其美的故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 7下面是發(fā)現(xiàn)某風(fēng)機(jī)行星齒輪系的太陽輪故障的例子：風(fēng)場發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的油濾有金屬屑，未知故障出自何處。要求進(jìn)行故障診斷。下面是臨時安裝的診斷裝置以其多參數(shù)聯(lián)合診斷確認(rèn)太陽輪故障的診斷信息：故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 8同時還發(fā)現(xiàn)齒輪箱高速軸小齒輪的初期故障及其他若干

7、故障：3.2 定點(diǎn)疲勞與齒輪、軸承的匹配，克服軸承齒輪故障多發(fā)的設(shè)計建議經(jīng)典疲勞理論認(rèn)為：齒輪的故障總是從該齒輪某個因材料、工藝等因素導(dǎo)致的薄弱點(diǎn)開始，即首先出現(xiàn)單個故障點(diǎn)。經(jīng)典診斷理論認(rèn)為，上述單個故障的特征是齒輪每轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)一次沖擊，從而首先出現(xiàn)的特征譜是等于轉(zhuǎn)速頻率的“1階譜”。我們提出的定點(diǎn)疲勞理論認(rèn)為：源于軸承齒輪不當(dāng)匹配所致的齒輪故障，必然出現(xiàn)多個故障同步、均布發(fā)生，故障信息的特征頻譜是將出現(xiàn)整數(shù)倍于轉(zhuǎn)頻的譜。在某瞬時，小齒輪軸承的外環(huán)承載區(qū)只有一個滾子，承擔(dān)由大齒輪對小齒輪經(jīng)由軸承內(nèi)環(huán)傳遞來的載荷。而此時，若齒輪出現(xiàn)最大的徑向推力，則出現(xiàn)系列問題：1，若齒輪出現(xiàn)最大徑向推力時，軸

8、承承載區(qū)總是只有一個滾子承載，則軸承出現(xiàn)外環(huán)-滾子-內(nèi)環(huán)定點(diǎn)疲勞。2，由于出現(xiàn)外環(huán)-滾子-內(nèi)環(huán)定點(diǎn)疲勞時，軸承承力方向間隙最小，勢必使齒輪嚙合徑故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 9向力最大。3，如果上述齒輪嚙合徑向力最大的現(xiàn)象總是發(fā)生在大或/和小齒輪的某些固定的部位，則齒輪發(fā)生定點(diǎn)疲勞。以某風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱高速軸前端軸承為例，討論齒輪、軸承的定點(diǎn)疲勞問題。故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 10機(jī)的匹配狀況與定點(diǎn)疲勞部件：齒輪齒數(shù)：CD=72，CX=29高速軸前軸承：中徑D0=177.3，滾子直徑d=35，滾子數(shù)Z=15。XW個滾子滾過外環(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

9、/(D0-d)*Z =2*177.3*29*XW/(177.3-35)*15 =4.8177091XW 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定點(diǎn)疲勞！CXD=CX/YW=29/24=1.20833，非整數(shù)，小齒輪不存在定點(diǎn)疲勞！XN個滾子滾過內(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

10、-0.062836內(nèi)環(huán)故障點(diǎn)每轉(zhuǎn)一周，再次到達(dá)承載區(qū)，正好與第9個滾子及齒輪第29齒對沖 CDD=CD/YN=72/29=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個定點(diǎn)疲勞點(diǎn)！ 由于以上軸承齒輪匹配的定點(diǎn)疲勞因素，該位置使用該軸承必然存在內(nèi)環(huán)故障多發(fā)等內(nèi)因?？梢姸嗯_該型風(fēng)機(jī)的該軸承，在運(yùn)轉(zhuǎn)時間不久后，均發(fā)生內(nèi)環(huán)故障，其根本原因正是軸3.3 接地電刷、滑環(huán)的故障診斷與改進(jìn)建議風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙饋發(fā)電機(jī)都有電刷和滑環(huán)，為了防止雷擊，葉輪對風(fēng)機(jī)底座之間也通過主軸法蘭盤建立電刷滑環(huán)。在雙饋發(fā)電機(jī)的接地電刷和滑環(huán)設(shè)計中普遍存在

11、一個誤區(qū)，導(dǎo)致故障多發(fā)，甚至引起風(fēng)故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 11在葉輪接地電刷滑環(huán)的故障診斷中的發(fā)現(xiàn)，也認(rèn)為該電刷滑環(huán)的設(shè)計違背了專利所提出的理論和方法。茲說明如下：故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 12引發(fā)該沖擊的原因之一，是塔架廣義共振，原因之二是主軸的不平衡振動，其三則是已3.4 塔架、葉輪故障診斷研究1，檢測傳感器安裝、校準(zhǔn)與參數(shù)分離故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 13故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 14故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 154，塔架扭振與沖擊扭振在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中時常發(fā)生。而危害較大的扭振，發(fā)生在調(diào)偏航、解纜時，因?yàn)樗鹚沙诘钠烬X輪往返沖擊，引發(fā)疲勞、折斷。故障診斷與提高風(fēng)電可靠性的研究 16故障。特征是：葉片通過頻率振動出現(xiàn)等于轉(zhuǎn)子頻率的調(diào)制譜和邊頻譜。利用邊頻譜與主譜的幅度比可以識別葉片損害程度。3.5 塔架自適應(yīng)減震研究監(jiān)測、診斷只能發(fā)現(xiàn)可引起倒塔的故障，以期在倒塔之前提供信息，幫助及時維修。 塔架強(qiáng)大的橫向振動才是塔架倒塌的元兇。它引起塔筒疲勞、軟化、折斷，或使塔架共振頻率降低到高轉(zhuǎn)速頻率范圍而共振； 它引起連接件超限拉伸、彎曲。當(dāng)超過許用范圍時，輕則