風機軸承故障診斷的國內外研究現狀

隨著社會的進步與人們生活質量的提高，煤、石油、天然氣等不可再生資源已不能滿足人們的需求，人們開始日益重視可再生資源的開發使用，風能以其清潔可再生的優勢及日趨完善的風力發電技術，逐漸成為地球上發展速度最快的能源之一。
近年來，風電產業發展迅猛，伴隨風機單機容量和機艙體積逐漸增大，輪轂也隨之增高，風機面臨的挑戰也日益增加。而且風力發電機所處環境復雜多變，且長期工作在野外、雷雨、臺風、冰雹等惡劣的環境中，容易發生多種機械故障或電氣故障，需經常性維修。
維修通常包括預防性維修和事故維修。預防性維修指的是在事故發生之前對風機進行計劃維護(包括潤滑、擰緊螺栓、更換過濾器、檢查安全設備等)，該方法必定會導致正常的設備也被頻繁檢修，影響設備的正常生產，浪費大量人力和時間，帶來巨大的經濟損失。事故維修指的是設備故障或事故發生之后再對其進行修理，由于風機塔架通常高達幾十米甚至上百米，且工作環境特殊，常常會給維修及拆卸帶來困難，造成的巨大維修費用及損失，更為甚者，給人們的安全帶來毀滅性的災難。針對上述維修方式的缺點，人們進一步設計了基于狀態監測的預防性維修，即利用風機性能或參數進行預防性維修，通常稱之為狀態監測系統(Condition  Monitoring System, CMS)。
研究者對 Vatttenfall 公司的某風場進行了維修費用調查，各主要部件(齒輪箱、發電機、變壓器、葉片等)替換費用總和大致為 750000 歐元，而 SKF 公司的狀態監測系統大約 20000 歐元，顯而易見，狀態監測系統帶來的效益是巨大的。據計算，風場的全部風機裝上 CMS 后，節省了計劃維修的資金，只需不到其一半的費用就可以彌補狀態監測系統的花銷。對一個具有 20 年設計壽命的風機來說，維修和部件費用占到風機帶來總效益收入的 10-15%，而對于所處特殊環境的海上風力發電機來說，維修費會占到風機總效益收入的 20-25%。因此，通過給風機安裝狀態監測系統，可以進行早期故障預測，增加發電系統可靠性，減少停機時間和不必要的過度維修，使效益最大化。 圖 1-1 為德國某風場各部件停機時間百分比，從圖中可以看出，齒輪箱故障造成風機停機的時間最長達到 21%，這是因為齒輪箱受風速變化的影響，受力復雜，且齒輪箱體積很大，需要升降機進行吊裝維修，有的時候還需要直升機將維修人員送入機槍，進行檢查維修，造成的停機時間很長。另外，發電機造成的停機時間位于第二，主軸(軸承)和轉子造成的停機時間次之。機械故障(齒輪箱、主軸/軸承、轉子、液壓裝置、偏航系統等)造成的停機時間比例之和達到 55%以上，且維修難度大。
 以上研究表明，機械故障在風機故障中占有很大的比例，因此監測引起故障的關鍵部件尤為重要。風機振動監測部分主要集中在傳動系統，包括主軸、齒輪箱、發電機等，而軸承是風機機械傳動系統和發電機系統的核心部件，機械傳動系統的齒輪箱、槳葉等和發電機絕緣故障等非軸承故障，亦多是由軸承故障引起或可在軸承的運行狀態中得到反映。因此，對風機軸承的運行狀態進行實時監測和分析，對整個風機的故障診斷和運行維護具有重要的意義。
1.2  基于振動監測的風機軸承故障診斷的國內外研究現狀
振動監測是一種比較成熟的監測方法，在旋轉機械和其他發電機組的狀態監測與故障診斷中已得到廣泛應用，且取得了很好的效果。風機也是大型的旋轉機械設備，其機械部件特別是傳動系統的故障特征與其它旋轉機械具有共性，都存在多部件耦合振動，且工作振動噪聲干擾巨大，振動都體現為非高斯、非平穩、非線性信號，因此風電機組組件故障診斷技術與其它旋轉機械的故障診斷屬于同一研究范疇。軸承是包括風機在內的旋轉機械設備中的核心部件，其運行狀態直接決定著機械設備的性能。據相關資料表明，旋轉機械 30%的故障是由滾動軸承的損傷引起的，因此，研究滾動軸承故障診斷技術意義重大。
 

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