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1 概述

某风电场若干机组中的一组在调试阶段发现振动幅度较大，运行一段时间后发现发电机冷却器螺栓发生多次断裂，更换发电机轴承后问题也没有明显改善。

本次测试通过对该风机传动链及发电机的测试，评估和分析该风机故障原因。

2 振动测试及评价标准

VDI 3834风力发电机组传动链的振动测试规范，国内各大风机厂家采用比较多，因此，该测试也参考VDI 3834振动规范进行测试、评价。

VDI 3834中，对振动加速度测点及数据采集时间、分析频率都做了相关的要求。

（1）数据采集时间长度：对主轴及齿轮箱输入端等低频振动加速度信号，采样时间为不少于10 min；齿轮箱输出端及电机输入端等中高频振动加速度信号，采样时间不少于1min。

（2）测点分析频率：对主轴及齿轮箱输入端等低频振动加速度信号，分析频率为0.1Hz~10Hz；齿轮箱输出端，分析频率为10Hz~2000Hz；发电机输入端，振动分析频率为：10Hz~5000Hz。

（3）传感器布置位置：主要布置在各个关心转动部件的轴承支座上。

（4）各个测点的振动加速度限值，如下图所示；同时对各个限值的定义分别作了相关的解释，如下图所示。

                图1 VDI 3834 振动加速度频率范围及限值

区域Ⅰ：评估参数位于此区域的风力发电机及其组件，被视为适合在其振动载荷下连续运行。

区域Ⅱ：振动位于此区域的风力发电机组及其组件，通常被视为不适合持久地连续运行。建议检查哪一处激励对此负责，考虑到其设计和运行条件，检查测得的值是否允许无限制的连续运行。

区域Ⅲ：位于此区域的振动一般被视为危险，它会对风力发电机及其组件产生损坏。

用作验收值的划归区域界限的数值没有被规定，这必须要取得风机及其组件制造商和操作人员的一致同意。区域值给出了排除重大误差和不现实要求的指示。在某些情况下，不同的机组有专门的属性，需要不同的区域限值，更高或更低。通常，制造商必须对此说明理由，尤其是要确认风力发电机及其组件在更高的振动值运行时没有危险。

3 现场试验设备

（1）本次试验主要采用东方所开发的DASP智能信号采集处理分析系统，系统组成见下图，该系统内置16GB存储空间，可实现离线触发采集数据及无线远程控制等自动化数据采集功能，实现了无人值守测试，是一款专门为风场振动测试提供便捷功能而设计的采集仪，能较好满足VDI 3834测试规范对风机的振动测试要求。

测试仪器系统框图如下：

                    图2 DASP 振动测试系统连接示意图

4 振动测点布置方案

4.1 整机测试测点

为了分析排查故障原因，首先对整个振动链各个关键点的轴向、水平方向或垂直方向布置了振动加速度传感器，进行整机评估测试，各个测点进行并行同步数据采集。

图3 部分测点

4.2 专项测试测点

由于现场人员反馈，发电机冷却器螺栓多次断裂，该处的振动应重点关注。因此，在发电机、冷却器和后底架的轴向、水平向和垂直向上分别布置测点，对比三者的振动情况。

                图4 部分测点

5 测试分析

5.1 整机测试分析

按照VDI3834标准对各通道数据进行滤波处理后，对各通道数据进行时域统计分析。下图为发电机转速为1750rpm工况下的整机振动有效值，结果表明整机各点振动值均不超限。

图5  整机测点有效值统计

 

通过频域分析结果可知没有明显的齿轮、轴承故障迹象。

图6  整机测点频域分析

 

但在分析时发现，发电机非驱动端Y向在1675rpm时振动有放大迹象。

图7  发电机非驱动端时域分析

 

从测试数据中选取不同转速下的测试数据，统计发电机上各测点转频的能量值，如下图：

图8  发电机转频能量值统计

 

图9  不同转速发电机转频能量对比

通过统计对比分析可以发现，在不同转速下，发电机垂直方向对转速较为敏感，1100rpm之后随着转速提高，垂直方向振动越小。

 

5.2 专项测试分析

(1)停机过程测试

风机停机过程中，发电机转速区间为1480-0rpm。从时域分析结果可以发现在11s处（1435rpm）发电机非驱动端Y向出现短暂振动放大现象。而发电机驱动端Z向在转速为1150rpm时出现振动放大现象，类似穿过共振区的现象。由于风况原因，只有一组风机停机过程的测试数据。

图10  停机过程时域分析

 

（2）启机过程测试

风机启机过程中，发电机转速区间为0-1100rpm。由于风况原因，风机转速无法继续提升。

图11  启机过程时域分析

（3）停机工况测试

风机停机工况下，测得塔筒一阶弯曲固有频率。

图12  塔筒固有频率

 

（4）发电机测试

由于现场人员反馈，发电机冷却器螺栓多次断裂，该处的振动应重点关注。因此，分别在发电机、冷却器和后底架的三个方向上布置测点，对比三者的振动情况。由于风况原因，只有转速为1100rpm的测试数据。

由时域分析结果可以发现，发电机减振支持减振性能良好。发电机水平方向刚度较低，因此振动相对较大。

图13  时域分析对比

由时域分析结果可以发现，发电机0-2.5kHz的振动频率传到了上方的散热器。而后底架上几乎没有高频成分。

图14  频域分析对比

图15  发电机转频能量对比

将频域横轴放大，分析该工况下发电机转频在各测点的能量对比可以发现，散热器在X方向上振动放大，X方向垂直于螺栓轴线方向，因此长时间振动会导致螺栓受剪切力后断裂。

图16  发电机转频能量对比

6 结论与建议

（1）      按照VDI3834标准评估整机振动不超限；

（2）      在不同转速下，发电机垂直方向对转速较为敏感，1100rpm之后随着转速提高，垂直方向振动越小；

（3）      发电机驱动端垂直向在转速为1150rpm时出现振动放大现象，类似穿过共振区的现象，疑似转频与发电机某阶固有频率接近。

建议：

（1）      发电机做模态测试，确定发电机模态参数，以确定发电机驱动端振动量大是否是由于共振原因导致；

（2）      进行大风风况数据采集，完善高转速区间分析，以判断高转速工况下是否存在振动量超标现象；

（3）      对发电机驱动端振动情况进行在线监测，持续关注该风机发电机的振动趋势，避免事故发生；

（4）      通过优化发电机减振支持参数和优化后底架结构的方式提高发电机支撑刚度，以减小发电机振动幅度。