摘要：风能作为一种清洁可再生能源，受到世界各国的关注。作为风能储量较多的国家，自然需要合理的利用风能，使得国家能够得到迅速的发展。随着我国可持续发展政策的落实以及风力发电技术的进步，使我国风力发电产业得到迅速发展。目前我国的风力发电在商业上已经可以与燃煤发电相竞争。在这一市场大环境下，风力发电产业应当加强核心技术的发展。在风力发电机组中轴承作为核心零部件，风电轴承的范围涉及从叶片、主轴和偏航所用的轴承，到发电机中所用的高速轴承。轴承既是风力机械中最为薄弱的部分，也是最为重要的部分。由此看来对于风电机组轴承的状态检测、故障诊断、运行维护等工作的深入研究就显得尤为重要，直接关系到我国电力事业的发展。
关键词：风电机组 状态监测 故障诊断 运行维护 风电轴承
中国虽然是风电装机量第一，但是发电量却远不及一些发达国家。主要的原因是我国与发达国家之间的吊装机容量和并网容量的差别。我国未并网的原因是区域的风力资源不同以及我国电力基础的各种零部件故障引起的计划外停机。通过对我国风电机组主要零部件的可靠性研究发现，风电机组中的电气和控制系统故障率最高。为了能够有效解决这一问题，需要对轴承等旋转机械的关键部件性能参数实施监测，能够为传动系统的故障诊断和运行维护工作减轻负担，并且降低风电厂维护的成本，提高风力发电厂的运行效率。本文主要介绍风力发电机组中轴承的故障原因，对已经投入使用的轴承进行状态监测和故障诊断。通过实验观测的数据对轴承的运行维护提出合理的建议。
一、风电机组轴承分类与故障分析
风力发电机组轴承主要分为偏航和变桨轴承、主轴轴承、齿轮箱轴承。
1.1偏航和变桨轴承
变桨系统是为了改变风速带来的影响，通过调整桨叶的距离，改变气流对叶片攻角，改变风电机组获得的空气动力转矩，使电机的功率输出保持稳定。偏航和变桨轴承具有不完全旋转的特点，这也使得轴承的内外圈有很小的角度转动。此类轴承发生故障的原因多为轴承润滑不好造成的磨损、螺丝松动引起轴承移位和安装不当引起的轴承变形。
1.2主轴轴承
风力发电机组主轴轴承承受的力包括桨叶及其附属部件。在发电机工作过程中属于悬臂梁结构。具有转速低且波动幅度大等特点，传输荷载时容易突变产生弯曲变形。因此主轴的轴承需要具有较高的承载能力和传动平衡精度，造成主轴轴承故障主要原因是由于润滑效果不好引起滚动体和辊道之间产生一定的磨损，从而造成主轴轴承过早的失效。
1.3齿轮箱轴承
齿轮箱作为连接发电机组的主轴和发电机的传动部件，其主要的功能是将主轴的低速运转输入转化为中速和高速发电机所需的输出。由于是上下连接的部件，所以在发电机组的部件中占据比较重要的地位。齿轮箱的重量高达十几吨甚至几十吨，且距离地面几十米高，因此一旦出现故障问题很难进行维修工作，而且会需要高昂的维修费用。在某种程度上齿轮箱出现故障的概率将会直接影响风力发电企业的发展。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而在风电齿轮箱中的部件轴承是最为薄弱的据相关数据统计75%以上的齿轮箱出现故障均是由于轴承出现问题，常见的轴承失效的原因是当刹车或者出现轴向荷载交替变换方向的工况时，主轴及其后面的连接行星架在轴向可能会有颤动，如果能量较大的时候会对圆柱滚子轴承造成较大的冲击。从而会引起行星轮和行星架一起窜动，对行星轮表面造成严重的磨损。
二、风电机组轴承的状态监测与故障诊断
2.1基于SCADA的方法
SCADA系统能够将运行参数发送到中央数据库，对发电机组的运行状态信息实时的监测。但是需要的传感和采集通信的数据较多，增加了供电技术的成本和监测复杂性，也因此没有得到良好的普及。对于发电机的机械故障，可以通过感应电动机的终端发电机输出反应出来。通过对电流和功率的稳定功率谱进行分析，对发电机轴承的故障进行监测。在缺少振动传感器的情况下，将震动平均数据和参数相结合，从而判断风电机组的运行状态。
2.2基于振动的方法
在我国旋转机械和其他发电机组的故障诊断中，基于振动的方法已经得到了广泛的使用，并且拥有较好的检测效果。发电机以及齿轮箱高速轴承可以应用现有的基于振动诊断技术，但是在进行诊断的过程中，需要注意的是风电机组的负荷是非平稳的变量，而常用的时域分析方法的效果会受到严重的影响，需要在信息处理的方法上进行改进。基于振动方法中的高通滤波器，会自动将3Hz以下的频率过滤掉，再加上受到环境嘈杂的影响，使得频谱分析效果很差甚至难以开展。在冲击故障瞬态性问题中由于每次故障升级的时间较长，使用冲击法对故障的信息无法进行准确的检测。同时由于冲击响应的频率较低，不能引起高频率的成分。以上的原因限制了振动监测主轴轴承运行状态的效果，但是可以通过运行的情况来反应叶片的运行状态。振动监测将成为风电机组轴承监测的发展趋势，但是需要对风电负荷和风力不稳定条件影响的时域和频域分析方法进行改进。在另一方面风电场对自己监测的数据采取一致的保密态度。
三、发电机组轴承的运行维护
对于主轴轴承齿轮箱、低速轴轴承、偏航和变桨轴承的运行维护来说。由于轴承是低速而且不完全旋转，限制了振动监测效果。齿轮箱低速轴轴承可以采用润滑油液进行维护，并实施在线监测的方法。但对于主轴轴承与偏航和变桨轴承由于采用润滑脂、润滑油液混合液进行润滑，不容易采用在线监测的方法，离线的样品采集往往也难以保证样品参与润滑工作，监测的效果很难得到保证。
四、结束语
我国风电机组的检测技术还不够完善，需要将风电机组的轴承维护和故障诊断与未来的发展方向进行结合。由于我国的发电厂大部分建在风力资源丰富的北方，地区环境冬天温度较低、春天会有沙尘暴的影响，需要注重对轴承的润滑监测。注意人才的培养，加强与高校之间的合作，使风电机组能够更好的运行，促使我国风力发电事业不断前进。
参考文献：
[1]罗燚. 基于变分模态分解和萤火虫优化概率神经网络的风电机组振动故障诊断研究[D].西安理工大学,2019
[2]张瑶,张宏立. 基于VMD多特征量风电机组轴承故障诊断法[J]. 计算机仿真,2018(09)
论文作者:宋一龙,毛锦成
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：轴承论文; 齿轮箱论文; 机组论文; 风电论文; 主轴论文; 故障诊断论文; 故障论文; 《当代电力文化》2019年第8期论文;