肖泽 殷伟 吕志远
(观为监测技术无锡股份有限公司 江苏 无锡 214000)
摘 要：随着风力发电技术的发展，其装机量越来越大。部分风力发电机组齿轮箱轴系出现扭转共振(扭振)故障，如处理不当，可能严重影响齿轮箱的安全运行。本文通过实际案例，介绍了一起风力发电机组齿轮箱扭振共振的分析过程，准确地找到故障的根本原因，提出消除故障的方法，经实际验证取得了非常好的效果。
关键词：扭振 相位 摆振 固有频率 卡门涡街效应
1. 测试背景
贵州某风电场2MW双馈风力发电机组，2015年初大量机组出现振动异常，表现为3～5m/s风速区间范围内，齿轮箱出现异常的周期性振动冲击噪声。主机厂家历时6个月、邀请业内多家专业振动分析公司，对机组进行振动监测和分析，试图查找机组异常振动噪声来源、确定故障原因，均未能准确定位故障原因、消除机组故障隐患。观为监测技术无锡股份有限公司设备健康体检中心(简称：MHCC)，应主机厂家要求，派出专业的技术团队到达故障机组现场，为确定机组故障原因，对故障机组进行全面振动测试和相关数据采集。
2. 振动测试
第一天(2015年10月31日)：对异响最为严重的15号机组进行检测，风速>6m/s，但异响未能再现，机组运行平稳正常(如：图3～图5所示)，初步排除齿箱齿轮损伤的可能。
第二天(2015年11月1日)：15号机组、风速4m/s，机组持续异响，传动链各测点振动冲击频率为1.26Hz(如：图6～图10所示)，疑似机组轴系可能存在扭振故障。为确认是否存在轴系扭振，分别测试主轴承座(如：下图测点A、B)、齿轮箱扭力臂(如：下图测点C、D)在传动链轴系两侧垂直方向的振动相位，其相位差均为反相;发电机在其转轴两侧的地脚部位测量获得的相位差也是反相(如：下图测点E、F)，这是扭振的典型表现，由此判断轴系存在1.25Hz的扭转振动(如：表1、图11～图13所示)。
为进一步，导出15号机组异响时发电机转矩、转速、风速、桨角数据，分析发现转矩、转速波形可见明显周期性波动，其转速波动主要频率分量为0.76Hz、1.25Hz，且0.76Hz幅值相对较高;转矩波动频率为1.25Hz，未见0.76Hz。由此判断：发电机转速存在0.76Hz的周期性波动;轴系转矩存在1.25Hz的周期性波动。问题：导致发电机转速出现0.76Hz的波动原因何在?轴系转矩1.25Hz的周期性波动如何产生(如：图14～图17所示)?
第三天(2015年11月2日)：获得该风电场机组所使用的两种叶片的固有频率，其中11号、15号机组使用A型叶片，其一阶摆振固有频率(叶片在其旋转平面的一阶弯曲振动固有频率)为0.77Hz，与实测发电机转速波动频率高度吻合(如：表2所示)。据初步统计，使用A型叶片的7台机组(2号、6号、11号、12号、14号、15号、16号)均存在相同的异响问题，且上述机组均在4～5m/s风速时出现异响，而使用B型叶片的23台机组均未见异常。
第四天(2015年11月3日)：再次针对性地检测15号机组。当机组出现异响时，齿轮箱扭力臂与发电机沿轴系同侧测点垂直方向相位差均为同相(如：上图测点C和E、D和F)，由此判断机组联轴器并非轴系扭振节点，据此怀疑齿箱轴系扭振节点发生在齿轮箱动力输入端的行星级部位(听诊可辨行星级冲击噪声最强)，由于冲击与风速大小密切相关，初步判断冲击异响原因与“卡门涡街效应”(气动耦合)有关。
3. “卡门涡街效应”
卡门涡街效应：当气流吹过“杆状”物体时，在其背风面交替产生涡旋，形成特有的压力脉动，可引发周期性振动，其振动频率与风速紧密相关(如：图2所示)。分析认为使用A型叶片的机组，其叶片在4～5m/s风速时，叶片背风面在“卡门涡街效应”的作用下，其压力脉动频率与叶片摆振固有频率(叶片在其旋转平面的一阶弯曲振动固有频率)重合，引发叶片共振。
“卡门涡街效应”引起建筑物损坏最著名的事件当属美国塔科马海峡大桥(Tacoma Narrow Bridge)风毁事故。“卡门涡街效应”，如图2所示：
4. 振动分析
1) 分析(以15号机组为例)
a) 风速>6m/s时，机组运行平稳，未见异常;
b) 风速较小时(4m/s)，可见异常振动冲击，冲击频率约为1.25Hz，现场听诊噪声明显;
c) 沿主传动链轴系两侧，主轴承、齿轮箱、发电机垂直方向相位差测试结果均为反相位(180°)，与轴系扭转振动特征相符;
d) 获取机组控制系统发电机转速及转矩数据，可见发电机转速波动为0.76HzHz和1.24Hz，且转速波动频率以0.76Hz为主，与A型叶片一阶摆振固有频率0.772Hz高度吻合;转矩波动频率约为1.24Hz，与传动链振动冲击频率吻合，分析轴系转矩波动是导致齿轮啮合异常冲击的根本原因;
e) 现场统计，采用A型叶片的7台机组(2号、6号、11号、12号、14号、15号、16号)均存在类似异响特征，疑似发电机转速异常波动与叶片一阶弯曲摆振相关;采用B型叶片的23台机组未见异响，
2) 数据(以15号机组为例)
a) 风速>6m/s时传动链振动分析
b) 风速4m/s时传动链振动分析
3) 相位测试
4) 机组发电机转矩、转速分析(风速3~5m/s、变桨角度-0.04°)
5) 叶片特征参数
5. 分析结论
1) 故障作用机理分析：A型叶片在风速4～5m/s时(叶片未变桨)，其叶片背风面由于“卡门涡街效应”(气动耦合)的压力脉动频率与其固有摆振频率过于接近，引发叶片共振(如：图18所示)，该摆振沿叶片旋转的切向以顺转子旋转方向和逆转子旋转方向呈周期性交替变化，对齿轮箱轴系施加正向扭矩和负向扭矩，造成发电机转速以叶片一阶摆振固有频率波动;机组控制系统检测到发电机转速出现周期性波动，判断机组轴系出现扭振，为消除扭振而施加了反向扭矩补偿，但该扭矩补偿则是按照事先计算的齿轮箱轴系一阶扭振固有频率施加的，导致齿箱轴系发生扭转共振。
2) 实验：如异常冲击的根本原因确为“卡门涡街效应”引发该型叶片出现摆振，则可通过提前变桨，改变叶片背风面“卡门涡街效应”引发的压力脉动频率，使其频率远离叶片一阶摆振固有频率以消除该扭振;通过提前变桨实验，确实达到了预期效果，表明振动分析结论是正确的。
3) 建议：修正机组扭矩“加阻补偿”策略，以消除或降低轴系扭振风险。
6. 结语
本案例证明：振动监测与故障分析诊断技术的应用，为查找风力发电机组的振动异常提供了高效、可靠的现代化技术手段。通过对异常机组的振动监测和分析，将振动分析的相关理论与现场实际相结合，以理论指导实践，再由实践验证和丰富理论，为准确判定机组振动异常的根本原因，并以此为依据指导科学检修，检修方向直指故障部位，避免了盲目检修，节省了人力、物力，提高检修的准确性和有效性，并为机组及其相关部件的设计和制造改进提供了有力的实际验证。
振动监测与故障分析诊断技术得到现场设备管理人员认可，并得到越来越广泛地应用。通过对振动异常的机组，及时进行相关振动数据的采集、分析和诊断，准确定位故障部位、判断故障原因，据此制定可靠、有效的检修维护策略，避免机组故障隐患发展成设备事故;保证风力发电机组安全运行、提高机组运行维护管理水平奠定了有效的技术保障。
参考文献：
1. Vibration Training Course Book-Category І [M]，Mobiues Institute，2014
2. Vibration Training Course Book-Category Џ [M]，Mobiues Institute，2014
3. Vibration Training Course Book-Category Ш [M]，Mobiues Institute，2014
4. 张碧波主编.设备状态监测与故障诊断.北京：化学工业出版社，2004
5. 沈庆根、郑水英主编.设备故障诊断.北京：化学工业出版社，2005
6. 钟秉林、黄仁主编.机械故障诊断学.北京：机械工业出版社，1997
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