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风机毕业论文

酒泉职业技术学院

毕业论文

2012级风能与动力技术专业

题目：

风电机组振动监测与减振、

减噪措施分析

毕业时间：

二〇一五年六月

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班级：

12级风能与动力技术

（2）班

2014年10月10日

风电机组振动监测与减振、减噪措施分析

摘要：

我国的风能资源丰富，储量居世界首位，为此我们应该大力开发，充分利用可再生能源。

为改善我们的生活，更应该对新能源技术不断改进来大大提高能源的利用效率。

本文重点分析了振动诊断和监测技术在风力发电机组状态监测,完成以下工作.由风力发电机组所受外部激振力及其自身结构特点，主要分析了风力发电机组整机系统与齿轮箱的振动特征。

根据风力发电机组的振动特征，总结了几种风力发电机组振动诊断方法.通过对材料和其他技术的改进,来对风力发电机组进行减振、减噪处理。

关键词：

风力发电机组;振动诊断;振动状态监测；减噪、减振

一、风力发电概述

（一）风力发电的现状

目前世界能源主要来自不可再生的能源，如：

煤、石油、天然气和核能.这样的能源结构不仅导致能源的短缺，而且造成严重的环境问题。

风能作为一种可再生清洁能源已越来越受到全世界各国政府的欢迎和重视。

图1为各国的风机装机容量，全球的风能资源约为2.74x1012Kw，其中可利用的风能为2x1010KW，比地球上可开发利用的水能总量还要多10倍。

2005年2月旨在限制温室气体排放量的《京都议定书》也已正式生效，这对世界风电行业的发展将会带来重大的影响。

随着风电各项技术的成熟，风力发电在抑制二氧化碳排放可大大降低，稳定石油价格波动等能源问题上的优势将会越来越明显，在世界范围内风电行业正蓄势待发。

图1各国风机装机容量

（二）风力发电机组存在的问题

目前我国已建成的风电场的风力发电机组有相当部分是上世纪90年代中后期由国外购进的,其单机容量为250Kw、300Kw、500Kw、600Kw、660Kw、750Kw等几种机型。

这些机组寿命一般为15-20年，保修期为2年，随着机组运行时间的延长，目前这些机组陆续出现了一些故障，包括风轮叶片、齿轮箱、发电机以及控制系统等故障，从而导致机组停止运行,严重影响发电量,造成经济损失.目前在我国运行的风力发电机组中，出现故障的概率己占了一定的比重，需认真分析分析。

如图2所示.

图2各类型故障停机次数所占比例

比如对神华国华能源投资有限公司投运的风力发电机进行的一次故障统计，统计显示:

虽然在停机次数上，风力发电机变桨系统、变频器、电气系统和电气控制占61。

9％，发电机、主轴承和齿轮箱占18.1%（如图2所示），但从停机的时间上后者却占68.7％（如图3所示）。

因此,保证发电机、齿轮箱、主轴承等机械零部件的安全运行至关重要,如图3所示。

图3各类型故障停机时间

1。

风电机组振动监测的必要性

风力发电机组是风电场的关键设备。

长期以来，风力发电机一直采用计划维修与事后维修方式。

计划维修即运行2500h和5000h后的例行维护,如检查螺栓力矩，加注润滑脂等。

该维修体制无法全面、及时地了解设备运行状况。

事后维修则因事前准备不足,往往造成维修工作旷日持久，损失重大.以下两个实例可以看出对机组实施状态监测的必要性：

（1）一次某机组声音异常，怀疑其传动齿轮箱有故障.用便携式测振仪采集振动数据,经与其他机组比较后认为,该机齿轮箱中间级和高速级存在异常，开箱检查证实了该判断。

由于发现及时,故障没有进一步发展。

类似这种声音异常是机械故障的重要特征，只要留心就可及时发现。

但2500h和5000h的例行维护都是在停机状态下进行,无法反映机组运行时的状况,况且时间间隔太长，即便有问题也不能及时发现。

（2）某台进口风力发电机组,现场人员反映振动较大。

用便携式测振仪采集振动数据，并与另一台同型机组比较后认为，该机齿轮箱、发电机可能存在机械故障。

由于该齿轮箱、发电机没有备件，在检修期间该机组不得不停运，影响了发电量。

风力发电机运行是否正常直接影响着风力发电的产量,风机故障可能会导致机组本身的损坏，甚至有可能造成更严重的后果。

由于风场的环境恶劣加之自身结构等特点,风力发电机所受的外部激振力和振动自由度相对其他大型旋转机械要多，为了保障风机的安全运行，对其运行状况进行振动状态监测非常重要。

（三）风力发电机组振动监测的意义

风力发电机组振动状态监测与故障诊断技术在工程中应用的重大意义：

1.提高机组运行的可靠性、安全性

振动状态监测与故障诊断技术能够及时、正确地对机组的各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，避免重大事故发生,保证风力发电机组安全，可靠地运行。

2。

给企业带来可观的经济效益

由于振动状态监测与故障诊断能避免因突发性故障发生造成的经济损失，延长机组使用寿命。

还能为制定有计划的维修提供依据，可在无风期安排维修，缩短维修时间,减少备件数，降低风力发电设备的维修费用,能给企业带来巨大的经济效益。

二、风力发电机组齿轮箱振动测试与分析

（一）齿轮箱振动测试

现对某个风电场机组齿轮箱的不同测点（图4）做振动测试和分析。

图4齿轮箱、发电机测点分布图

表1测点分布

测点位置

检测部位

主轴

主轴前轴承水平径向

主轴前轴承振动

主轴后轴承垂直径向

主轴后轴承振动

发电机

前轴承水平径向

发电机前轴承振动

后轴承水平径向

发电机后轴承振动

齿轮箱

外齿圈垂直径向

外齿圈啮合状况，整体振动

低速轴垂直径向

低速轴垂直径向、齿轮啮合状态

高速轴垂直径向

高速轴轴承振动、齿轮啮合状态

高速轴转速

（二）齿轮箱中主要故障及其原因分析

据统计,齿轮箱中其次是轴承，占20％；再者是轴，占10％。

最后是箱体和紧固件。

由此可见，在齿轮箱中齿轮本身的故障所占比重大。

说明在齿轮传动系统中齿轮本身的制造、装配质量及其运行维护水平是关键问题。

齿轮在机械加工中是一种高度复杂的成形零件，而在高速、重载下运行的齿轮,其工作条件又相对比其他零部件恶劣，特别是风电机组齿轮箱也是如此。

下面我就把齿轮箱的故障特征和预估故障间的关系如表2、表3。

表2齿轮箱的故障特征

声音异常、振动增大、温升过高、漏油、能耗增大、其他

1

齿轮轮齿

局部断齿

磨损

点蚀

胶合

齿根裂纹

2

齿轮基体

轮缘、腹板灯损伤

变形

弹簧、螺杆折断

3

轴,联轴节,键

变形

损伤

4

轴承

变形

滚动体

配合体

保持架

5

齿轮箱

变形

刚度不够

密封不良

表3齿轮箱的故障特征

不能运转

1

齿轮

断齿

严重胶合

杂物进入

2

齿轮基体

齿圈断裂

变形损坏

3

轴，联轴节，键

损伤

4

轴承

烧伤

滚珠脱落

杂物进入

5

齿轮箱

严重损伤变形

6

动力源

故障不能运转

7

其他

联轴、联轴节损坏

1.齿轮箱的故障诊断方法大体上可分为两大类：

（1）通过齿轮运转过程中所产生的振动、噪声和油温等动态信号,运用信号处理方法来完成故障分析、诊断。

（2）根据摩擦磨损理论，通过润滑油液分析来达到故障诊断的目的.主要是通过分析润滑油里金属的成分来预测是那一部分的材料。

从而判断是否属于正常现象。

目前另外一种灵敏度比较高的方法也逐渐被应用。

它就是频谱分析方法被引入到了齿轮故障诊断中。

齿轮振动信号的频谱分析方法在齿面磨损、齿断裂等故障的诊断上面应用得比较成功。

（三）小结

1。

拆检结果证明，用上述方法可以快速、准确地判断出待检齿轮箱是否存在故障以及故障所在。

2。

风力发电机组工作环境十分恶劣，输入载荷变化频繁,故障率非常高，维修困难。

建议加强机组安全保护方面的设计（如加装机组状态监测系统等）。

3。

风力发电机组由于结构复杂，转速变化频繁，故障类型多，有必要采用多种手段（如噪声测试、油液分析等）进行综合精密故障诊断。

三、风力发电机的减振、减噪措施

（一）风力发电机组发电机减振器的研究

1。

风机用减振器简介

来自风力发电机的噪声一部分是由机械运动产生的；一部分是由空气动力产生的。

其中机械噪声主要是由机舱内的旋转机械，尤其是齿轮箱和发电机产生的。

为了减少风机运行时齿轮箱和发电机传递到机架和塔架上的噪声，在齿轮箱、发电机与机架之间皆必须安装橡胶减振器。

2。

减振器的工况与性能要求

风力发电机组功率1。

5MW，发电机重量8。

5t，发电机与机架之间安装四个相同的减振器.发电机额定工作时的扭矩12kN•m，出现短路时的极限扭矩85kN•m。

要求发电机正常工作时不发生共振，振幅控制在±2mm之内，减振效率不小于90﹪，承受极限载荷时减振不发生破坏。

（二）大功率风力发电机组齿轮箱减振支撑的结构特点与应用

1。

叠簧式齿轮箱减振支撑

叠簧式齿轮箱减振支撑主要用于四点支撑系统（双轴承结构）的风力发电机组当中，采用的是金属框架式结构，如图5、6所示.在齿轮箱扭力臂上、下各设置有一个橡胶垫。

齿轮箱支撑安装时使上、下橡胶垫各产生一定的预压缩量，齿轮箱工作时的振动就在预压缩量的范围内进行.

图5叠簧式减振器

图6叠簧式减振器原理图

在这种结构的传动系统中，齿轮箱的重量主要由低速轴来承担，减振支撑主要承受低速轴传递的扭转载荷，因此其所承受的载荷为.

依据齿轮箱载荷的特点，减振支撑的垂向（ZN）刚度大，则扭转刚度大；其他方向刚度应尽量小。

在齿轮箱支撑两端各有一个调节装置,通过调整螺栓可实现对齿轮箱安装高度的微调，以避免系统出现过约束,使齿轮箱与主轴连接处受附加弯矩的作用；同时也可以调整减振支撑整体的刚度性能以实现产品的变刚度设计。

根据风力发电机组齿轮箱的工况与所承受载荷的不同，可以调整橡胶的硬度和预压缩量。

这种齿轮箱弹性支撑具有出色的阻尼及减振性能,可大大减少结构噪声的传递，承载大，且安装方法简单，更换方便.

2。

液体复合齿轮箱减振支撑

液体复合齿轮箱减振支撑即可用于三点支撑系统中，也可以用于四点支撑系统当中.液压减振支撑是在叠簧式减振支撑的基础上，并结合液体流动时优良的阻尼特性而发展起来的。

这种减振支撑的橡胶弹性体的外形结构和叠簧式减振支撑类似，皆采用金属橡胶复合结构，内部设有压力膜（橡胶），腔体，密封机构，液压管路等，如图7所示。

图7液体复合减振器

齿轮箱一侧的减振支撑上弹性体与另一侧减振支撑的下弹性体通过液压油管连接在一起，如图8所示.当齿轮箱发生振动,齿轮箱支撑受载其腔体的体积发生变化,液体在上、下腔体之间流动产生阻尼，消耗振动能量，达到衰减振动的目的

图8液体复合减振器原理图

液体减振支撑在正常状态下，当齿轮箱受扭转载荷MXN时，左侧上弹性支撑和右侧下弹性支撑承载,两橡胶弹性体的体积同时压缩,腔体体积减小,管内压力急剧增加，从而扭转刚度KM也随之大幅增加。

当齿轮箱受垂向载荷FZN时,左右两侧的上弹性体同时承载，两下弹性体同时卸载，因此两上弹性体的液体流向下弹性体，主要通过橡胶的垂向变形来承载，从而垂向刚度KZN较小。

当齿轮箱受水平载荷FYN时，则主要是通过橡胶的剪切变形来承载，因此产品水平方向的刚度KYN非常小.液体复合减振支