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1、提要：故障诊断不仅是提高风力发电机的安全指数和经济效益的重要技术途径，它还能为风电设备的先进维修、设计提供认识论的支持。本文从故障机理诊断理论和应用实例的角度，论述了故障诊断支持风电技术创新的可行性，期望有助于我国风电发展战略的健康推进。 1. 风电装备的可靠性、安全与效益 我国风力发电战略进展迅猛，但在初级阶段面临故障多发。某调查报告披露：某7个风场数百台风机的年平均发电时间相对规定时间差约20%，由此带来的发电经济损失达到1.7亿元，而原因则是故障停机。如果计入维修投入，经济损失将成倍增加。 风电产业期待从粗放经营向集约经营转变，不仅需要提高装机容量，更需实现高产高效。而风机故障多发却成了
2、实现这一目标的拦路虎，甚至有某风场数十台风机安装数年来因故障而从未发电的报告。更多的情况是：风机可靠性较低，而又缺乏故障预警功能，以致较小的故障未能发现、维修而发展成重大的安全和设备事故，不仅造成停机损失，而且维修费用急剧上升，甚至可能超过其产出费用。因此，国外已经出现了某风机制造商因保修其故障多发的产品导致企业入不敷出而破产的报道。风电产业必需走出此类歧途。 2. 故障诊断对于维修进步的基本价值 故障诊断技术和产品进入风电安全监测领域，为跳出上述歧途提供了技术条件。 故障诊断的基本宗旨是及时发现故障，提请视情维修。它虽然不能防止发生故障，但能防患于未然。好比以经常性的体检及时发现病情并指导及
3、时治疗，就能防止小疾发展为大病，就能以较小的代价恢复健康，使病员能赢得健康和更长的寿命，为社会做出更大的贡献。 在缺乏诊断技术的条件下，设备的保养、维修几乎难有重要作为，往往是等到设备停转再用新的替换旧的。一位权威人士不无感叹地说：比如齿轮箱的地脚松动如能及时检测发现，只需重新调心和紧固螺栓就能确保长期安全运行，何苦导致全面破坏、停机、赔偿、更换！运营部门也感到苦不堪言：如果预知故障所在，就可以早订备件、及时维修，何苦匆忙采购、长期等待，坐失发电的黄金季节！ 制造商和用户的苦衷，完全可以用故障诊断技术解脱。JK07460风电机组在线故障诊断系统投入使用以来，产生了满意的效果。首台诊断装置在AN
4、BONUS600kW风机上安装，立即发现其电机前端轴承滚子故障。趁着风机维修换下该轴承，防止了风机因该故障而出现事故和计划外停机，而该轴承通过更换故障滚子又可再次服役。代价甚微却取得了两全其美的效果。如图1、2。图1：故障诊断发现电机前轴承滚子圆周故障图2：分解检查，发现滚子裂痕 故障诊断系统发现Gamesa G58风机电刷故障并殃及滑环，停机检查发现长期运行的电刷严重磨损。及时更换电刷和修磨滑环，解决了经常出现的跳闸、停发问题，如图3、4。图3：诊断发现轴承正常，但有电刷故障图4：停机检查发现电刷、滑环故障 3. 故障机理诊断与装备缺陷的识别 故障机理诊断技术的发展，使得它可以从原来的出发点
5、探寻故障信息规律，进步到了探求故障发生的原因，以致能够对用户提供更好的、虽不能“优生”但可以“优育”的建议，即先进维修。设备是一个有机的系统，各种部件互相依存，相互制约，否则就不能工作。 故障机理诊断注重对客观机械装备的结构关系、力学环境和运行过程的研究，然后基于“结构完整性”理论进行综合分析，研究内因，也研究外因，通过建立故障发生机理的物理模型，研究故障信息的特征，从而建立信息特征与故障现象和原因之间的联系，作为基于确切的特征信息识别故障的基础。显然，它强调所提取的信息与所关注的故障机理之间的对应关系，为了解故障发生的原因准备了条件，而若干仅凭对大量正常机器的信息和有故障机器的信息进行统计的
6、模糊诊断则很难具备此能力。 外因是条件，内因是根据。许多零部件经受了长寿命试验，但同型的新部件在组合于机器中后，在一批机器上故障多发，而在另一批同型机器上却能安全服役。某型号的轴承，在不同的而功率相近的齿轮箱同一部位工作，有的多发故障，有的却故障很少。特别是，损坏的轴承时常表现为定点疲劳。零件的内因不变，则故障的原因就必然归于外因条件。先进的维修，就不应是仅仅更换故障零件，而应当消除导致该零件加速失效的外因。如果外因不能排除，就需要选用不受或较少受该外因影响的、具有特殊内因的部件。 例如，因为认识的局限性，设计者可能忽视传动系统的特殊载荷条件，总以为所驱动的平行齿轮没有强大的径向力；减速器设计
7、者未必对轴承与齿轮的特殊匹配需求加以考虑，也许以为轴承、齿轮的载荷是均布的等等。 为了实现故障信息的提取、识别和故障预警，故障诊断工作者需要研究机器部件最早发生疲劳的原因和信息特征，特别是研究机器多发故障的原因和信息特征，找出最能支持早期故障预警的信息规律。这种研究，实际上是从机器的安全和可靠性角度，对机器作深层次的认知。而机器的设计师主要考虑的可能是实现机器的性能和常规的、相对理想的载荷条件。 研究这种故障机理和据此提升的“一种减少齿轮传动系统故障率的轴承、齿轮匹配设计制造方法”1，可以用数学模型描述故障多发的规律，从而可以预先识别设备的缺陷。 4. 故障诊断与先进维修和设计创新 4.1 关
8、于轴承齿轮的匹配设计和维修问题 如图5所示：某齿轮箱的设计虽然要求中速轴和高速轴两个传动齿轮之间必须留有合理的间隙，不允许大小齿轮的齿顶挤压另一个齿轮的齿沟。但如果电机轴与齿轮箱高速轴不对中如图6，该外部条件就将消除齿轮间隙，小齿轮两端的轴承都将承受附加径向载荷，成为诱发故障的外因；由于轴承的游隙远小于齿轮的间隙，于是，当高速轴前端轴承的内环受到来自联轴器和齿轮某对齿所施加的径向力时，如果该力正好作用于一个滚子（而不是两个滚子之间），则该作用力就通过该滚子传递到轴承的外环，破坏了设计者期望的至少由两个甚至多个滚子承受载荷的理想条件，这无疑要引起固定的外环和转动到该承载区的内环定点疲劳。同理，如
9、果某齿轮总是有某几个齿在啮合时产生上述的受力机制，则这几个齿或其齿沟也将发生定点疲劳，甚至引起该齿轮轴的定向疲劳、裂纹、折断。这种事例在铁路车辆传动系统中常有发生。图5：某齿轮箱的结构示意图图6：由于联轴器不对中所致故障的外因图解 该齿轮箱齿轮齿数是：大齿轮CD=72，小齿轮CX=29；前端轴承的参数是：中径D0=177.3mm，滚子直径d=35mm，滚子数Z=15。根据“定点疲劳”理论1，计算该齿轮箱高速轴的可能多发故障如下。 XW个滚子滚过外环承载点对应齿轮啮合次数YW的函数： YW=2*D0*CX*XW/(D0-d)*Z =2*177.3*29*XW/(177.3-35)*15 =4.8
10、177091XW 若XW=5,则YW=24.08854524,偏差-0.088545，外环-滚子-齿轮对冲疲劳几率JW=1/XW=1/5=20%，CDD=CD/YW=72/24=3，整数，大齿轮存在3个均布的定点疲劳点！ XN个滚子滚过内环承载点对应齿轮啮合次数YN的函数： YN=2*D0*CX*XN/(D0+d)*Z =2*177.3*29*XN/(177.3+35)*15 =3.229204XN， 若XN=9，则YN=29.06283629,偏差-0.062836；即内环存在1个定点疲劳故障点，它每转一周，再次到达承载区时，正好与第9个滚子及小齿轮第29齿对冲冲击。 CDD=CD/YN=7
11、2/29=2.4827506，非整数，大齿轮不存在定点疲劳！ CXD=CX/YN=29/29=1.0000000，是整数，小齿轮存在1个定点疲劳点！ 由上述计算可以预见：由于以上轴承齿轮匹配存在定点疲劳因素，该高速轴前端使用该轴承存在内环故障多发的内因，在联轴器不对中等外因引发下，必然多发故障。在Gamesa G52风机上安装的JK07460诊断系统检测到了相应的结果如图7。按照故障频谱的理论计算，该内环每转一周，故障点与9个滚子在不同方位冲击，但因为存在定点疲劳因素，该故障在每次通过承载区时与一个滚子对冲，而小齿轮也以同一个异常的齿与大齿轮不同的齿啮合，产生了比在其它位置与滚子冲击时强数倍的
12、信号，如图7的第一行波形。第2行的频谱与第3行的理论频谱完全吻合，诊断系统报告内环故障达到约55dB。图7：内环定点疲劳故障的特征 基于以上分析，可以断言：如果该高速轴的前端轴承更改一种安装尺寸可以互换的型号，并经过计算证明不存在定点疲劳因素，则该位置的轴承故障率可以大幅度降低。该建议之所以能够实施，是因为同型齿轮箱的该位轴承本来就存在多种型号，而只有当前使用的型号出现故障多发的现象。 限于篇幅，本文不能对各种齿轮箱的各种轴承、齿轮作出分析。但如果在维修和设计中引用定点疲劳理论对轴承加以选配，就可望大幅度减少故障发生的机率，就可以实现先进维修和设计，就有望促进风电机组传动系统的设计创新。 4.
13、2 关于电刷滑环的设计和维修问题 双馈发电机通常有4组电刷滑环，其中A、B、C三相用于励磁引电，可能是因为电流大而设计了多个基本均布的电刷。但几乎所有的D相电刷却只有1个，可能是因为它主要用于短路发电机的轴电压而短路电流又很小的缘故。 问题是：该D相电刷和滑环故障多发，如图4。不仅引起强烈的冲击，甚至引起跳闸。此类问题在其它发电领域也普遍存在。 故障机理诊断的研究认为：以为传输电流小就可以用1个电刷，是可靠性设计理念的偏颇。在振动条件下，一旦电刷瞬时开路，轴电压就在电刷滑环之间引发电弧，烧损电刷滑环，引起接触不良和运转冲击，进而出现恶性循环，故障迅速扩展。 这是因为，为了保障电刷对滑环的压力不
14、太大以免迅速磨损，电刷的弹簧都设计得较软，以致其广义共振频率很低，使之不能跟随滑环的振动和冲击，单个电刷极易发生广义共振而频繁瞬时开路。为了在电刷压力不增大的条件下保障轴电压等接地回路畅通，使用对称分布的两个电刷仍不可靠，使用120度均布的3个电刷则是可靠的2。实际上，电刷安装支架已经具备，如图8。只要认识了电刷滑环故障的这种广义共振机理，增加电刷则是轻而易举的。事实是：如果不增加电刷，在已经有滑环故障或者电机振动大时，每13个月需要更换一次电刷，而如果直接使用3个均布的电刷，（在滑环修复后）则使用12年也不会损坏，因为使用多电刷的A、B、C电刷滑环就很少出现故障。改进维修和设计，就能减少备件消耗、维修工作量、故障停机，取得更高的可靠性和生产效益。图8：D相有条件安装多个均布电刷 5. 结束语 仅列举了几个实例，以论述风电机组故障诊断与传动系统的先进维修及设计的关系，期望故障诊断技术和故障机理诊断技术能为我国风力发电战略步入先进行列创造条件。我国的风电产业有必要立足于自主知识产权发展创新，为国家的现代化建设奠定更坚实的基础。 参考文献 1 唐德尧等，一种减少齿轮传动系统故障率的轴承、齿轮匹配设计制造方法，中国专利200810 043838.3 2 唐德尧等，一种电刷滑环故障的诊断装置及机理诊断和维修设计方法，中国专利，200910 057531.3
提要故障诊断不仅是提高风力发电机的安全指数和经济效
