风机轴承故障诊断的国内外研究现状

随着社会的进步与人们生活质量的提高，煤、石油、天然气等不可再生资源已不能满足人们的需求，人们开始日益重视可再生资源的开发使用，风能以其清洁可再生的优势及日趋完善的风力发电技术，逐渐成为地球上发展速度最快的能源之一。
近年来，风电产业发展迅猛，伴随风机单机容量和机舱体积逐渐增大，轮毂也随之增高，风机面临的挑战也日益增加。而且风力发电机所处环境复杂多变，且长期工作在野外、雷雨、台风、冰雹等恶劣的环境中，容易发生多种机械故障或电气故障，需经常性维修。
维修通常包括预防性维修和事故维修。预防性维修指的是在事故发生之前对风机进行计划维护(包括润滑、拧紧螺栓、更换过滤器、检查安全设备等)，该方法必定会导致正常的设备也被频繁检修，影响设备的正常生产，浪费大量人力和时间，带来巨大的经济损失。事故维修指的是设备故障或事故发生之后再对其进行修理，由于风机塔架通常高达几十米甚至上百米，且工作环境特殊，常常会给维修及拆卸带来困难，造成的巨大维修费用及损失，更为甚者，给人们的安全带来毁灭性的灾难。针对上述维修方式的缺点，人们进一步设计了基于状态监测的预防性维修，即利用风机性能或参数进行预防性维修，通常称之为状态监测系统(Condition  Monitoring System, CMS)。
研究者对 Vatttenfall 公司的某风场进行了维修费用调查，各主要部件(齿轮箱、发电机、变压器、叶片等)替换费用总和大致为 750000 欧元，而 SKF 公司的状态监测系统大约 20000 欧元，显而易见，状态监测系统带来的效益是巨大的。据计算，风场的全部风机装上 CMS 后，节省了计划维修的资金，只需不到其一半的费用就可以弥补状态监测系统的花销。对一个具有 20 年设计寿命的风机来说，维修和部件费用占到风机带来总效益收入的 10-15%，而对于所处特殊环境的海上风力发电机来说，维修费会占到风机总效益收入的 20-25%。因此，通过给风机安装状态监测系统，可以进行早期故障预测，增加发电系统可靠性，减少停机时间和不必要的过度维修，使效益最大化。 图 1-1 为德国某风场各部件停机时间百分比，从图中可以看出，齿轮箱故障造成风机停机的时间最长达到 21%，这是因为齿轮箱受风速变化的影响，受力复杂，且齿轮箱体积很大，需要升降机进行吊装维修，有的时候还需要直升机将维修人员送入机枪，进行检查维修，造成的停机时间很长。另外，发电机造成的停机时间位于第二，主轴(轴承)和转子造成的停机时间次之。机械故障(齿轮箱、主轴/轴承、转子、液压装置、偏航系统等)造成的停机时间比例之和达到 55%以上，且维修难度大。
 以上研究表明，机械故障在风机故障中占有很大的比例，因此监测引起故障的关键部件尤为重要。风机振动监测部分主要集中在传动系统，包括主轴、齿轮箱、发电机等，而轴承是风机机械传动系统和发电机系统的核心部件，机械传动系统的齿轮箱、桨叶等和发电机绝缘故障等非轴承故障，亦多是由轴承故障引起或可在轴承的运行状态中得到反映。因此，对风机轴承的运行状态进行实时监测和分析，对整个风机的故障诊断和运行维护具有重要的意义。
1.2  基于振动监测的风机轴承故障诊断的国内外研究现状
振动监测是一种比较成熟的监测方法，在旋转机械和其他发电机组的状态监测与故障诊断中已得到广泛应用，且取得了很好的效果。风机也是大型的旋转机械设备，其机械部件特别是传动系统的故障特征与其它旋转机械具有共性，都存在多部件耦合振动，且工作振动噪声干扰巨大，振动都体现为非高斯、非平稳、非线性信号，因此风电机组组件故障诊断技术与其它旋转机械的故障诊断属于同一研究范畴。轴承是包括风机在内的旋转机械设备中的核心部件，其运行状态直接决定着机械设备的性能。据相关资料表明，旋转机械 30%的故障是由滚动轴承的损伤引起的，因此，研究滚动轴承故障诊断技术意义重大。
 

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