论文总字数：20670字

摘 要

在化石燃料日渐枯竭的重压之下，可再生的清洁能源成为各国追逐发展的共同目标。风能作为开发最早，技术也最为成熟的清洁能源而进入大众视角之中。同时，发展风电产业可以促进能源产业结构转型，因而我国将能够更快地迈进清洁、低碳能源的新时代。

随着风电在电力市场份额的不断提高，风电的安全性、可靠性愈加重要。而风电机组一般都安装在人迹罕至、荒凉空旷的偏远地区，人类不易接近也无法长期逗留。

如何提高风电机的利用率、降低设备的故障率、对潜在故障及时有效的预警?如何采取措施来避免事故的发生，切实保障风电机安全高效地运作?这些已成为风电运营商设备维护与检修的主要任务，也是风力发电行业面临的重要研究课题。

在风电机组的常见故障类型中，滚动轴承的故障占有比达到30%，滚动轴承作为设备中传递、承担负载的零部件，其工作状态将直接反映设备运行效果的好坏。因此，本次课题主要围绕滚动轴承的故障信号而展开研究。在深入了解风电机组结构和常见故障特点的前提下，从振动和声发射两个层面来研究轴承常见故障的信号特征。通过风电实验台操作与软件运用，学习滚动轴承信号监测与诊断的基本方法。

关键词：风电机组，滚动轴承，故障信号检测，振动，声发射

Abstract

Day by day, under the weight of fossil fuel depletion, renewable clean energy has become a common goal for all countries to pursue and develop. As the earliest and most mature clean energy, wind energy has come into the public view. At the same time,the development of wind power industry can promote the transformation of energy industry structure, so that our country will be able to move towards a new era of clean, low-carbon energy more rapidly.

As wind power in the electricity market share continues to improve, the safety and reliability of the wind power become more and more important. And wind turbines are generally installed in inaccessible, desolate, open and remote areas, human beings are not easy to approach or linger for a long time.

How to improve the utilization rate of wind turbines, reduce the failure rate of the equipment, and effectively warn of possible faults? How to take measures to avoid the occurrence of major failures and to ensure the safe and efficient operation of wind turbines? These have become the main tasks of equipment maintenance and overhaul for wind power operators, and also an important research topic for wind power industry.

Among the common types of faults in wind turbines, about 30% of the mechanical failures are related to rolling bearings. As a device of the equipment that carries and bears the load, its working state will directly reflect the quality of the operation of the equipment. Therefore, this project focuses on the fault signals of rolling bearings. Based on the deep understanding of the structure of wind turbines and the characteristics of common faults, the signal characteristics of common faults in bearings are studied from two aspects of vibration and acoustic emission. The basic method of signal monitoring and diagnosis of rolling bearing is studied by the operation of wind power experimental platform and the application of software.

Key words: Wind turbine, rolling bearing, fault signal detection, vibration, acoustic emission

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 绪论 5

1.1 研究背景 5

1.1.1风电发展现状 5

1.1.2故障信号检测与诊断对风电运行的意义 5

1.2 风电机组故障信号类型 6

1.2.1风电机组简介 6

1.2.2风电机组常见故障 6

1.3 滚动轴承故障检测研究现状 7

1.3.1 滚动轴承及常见故障 7

1.3.3 滚动轴承故障检测技术 9

1.3 论文结构 10

1.4 本章小结 10

第二章 声发射原理及信号分析方法 11

2.1 声发射信号 11

2.1.1声发射信号产生机理 11

2.1.2 声发射检测法的特点 12

2.2 声发射信号的分析方法 12

2.2.1 特征参量分析法 12

2.2.2 频谱估计方法 12

2.2.3.常规模式识别方法 13

2.2.4.小波分析方法 14

2.3 本章小结 14

第三章 振动原理及信号分析方法 15

3.1 振动信号 15

3.1.1振动产生机理 15

3.1.2振动信号基本特征 15

3.2 振动信号的分析方法 17

3.4 本章小结 19

第四章 风电传动系统试验台轴承故障检测及分析 20

4.1 试验台基本结构 20

4.1.1滚动轴承 20

4.1.2声发射传感器 22

4.1.3振动传感器 23

4.2 实验步骤 23

4.2 采样测点 24

4.3声发射信号分析 25

4.3.1声发射采样软件 25

4.3.2声发射信号采集与分析 25

4.4 振动信号分析 31

4.4.1振动采样软件 31

4.4.2振动信号采集与分析 32

4.4 本章小结 35

第五章 总结与展望 36

5.1全文总结 36

5.2本文研究工作不足 36

致 谢 37

绪论

研究背景

当前我国正处于能源结构转型的关键时期，积极主动发展清洁风电能源作为节能减排战略目标的关键一环，对我国降低碳排放起着至关重要的作用。近年，我国风电机组装机容量的不断增长，风电场市场规模日益扩大，这就要求我们更加重视设备安全性能。

1.1.1风电发展现状

在1986年我国即着手开始风力资源开发，但早期发展进程缓慢，截至1995年底，装机总量仅有3.76万kW。2000年之后，国内能源危机日渐突出，污染问题日渐加重，加强对清洁可再生能源的开发利用成为我国重要的能源发展战略，得到社会各阶层的高度重视和积极反响。政府从立法、政策扶持、追加投资各个方面，全面加强对风电资源的开发力度。“十一五”期间，随着《可再生能源法》的面世，中国从立法层面确定了发展清洁可持续能源的先决地位。在政府大力号召下，风电产业链发展迅速，不可小觑。

由于我国风能资源相对分布集中的基础国情，国家能源局制定了“打造陆上‘三峡’、建设大基地、融入大电网”的思路，将在七个资源富集区重点建设千万千瓦级风电基地，并于2008年开始编制规划并陆续启动。2009年8月，“甘肃酒泉风电基地”首先正式开工，标志着风电发展进入规范化、产业化的历史性阶段。同时，海上风力资源开发也在同步推进。首个海上风电场项目在2006年底开动，至2010年上半年已并网发电。

1.1.2故障信号检测与诊断对风电运行的意义

近年来，风发的市场占比不断上升，总装机容量逐年提高。一个小齿轮的裂痕都可能造成整个风电机组损坏，造成难以挽回的经济损失，给电网稳定性带来巨大伤害。且风电机组一般都安装在人迹罕至、荒凉空旷的偏远地区，人类不易接近也无法长期逗留。维修工作往往耗时耗力，且效果不佳，损失重大。风电机组故障，会给电网安全和国民经济带来诸多危害。而故障信号及时检测能有效的在源头处发现问题，并且通过连续检测，可以做到实时反馈风电机组运行中的状况信息，降低设备事故率及事后维修费用，在大大提高安全性的同时有效降低风力发电的成本。因此，对机组关键构件进行连续追踪检测、定点故障趋势分析有十足的必要性。 “与其他组件相比，风电机组的传动系统相关故障造成机组停机时间最多，对电力生产影响最大，研究风电机组传动系统故障信号检测具有显著的工程意义。”^[1]

风电机组故障信号类型

1.2.1风电机组简介

风电机组主要分为垂直轴和水平轴两种，目前常见的基本为发展比较成熟的水平轴机组。 “水平轴风电机主要构成有机舱、高速轴、低速轴、风轮、增速齿轮箱、调向调速装置、刹车装置、发电机、塔架等。”^[2]如下图所示。

图1 水平轴式风力发电机结构简图

1.2.2风电机组常见故障

图2 双馈式风电机内部结构图

以下是几种风电机组常见的故障类型。 

(1) 叶轮故障

叶轮包括桨叶和轮毂等部件。以三片桨叶最为常用，且随着单机容量越来越大，桨叶也设计的越来越长，这就要求桨叶的材料拥有更好的性能。这些参数以及结构都将直接影响到桨叶的使用寿命，轮毂的设计是用来连接桨叶和主轴的，通常由钢铁材料制成，内部装有变桨控制柜。在实际风场中，机组工作环境往往十分恶劣，极易造成桨叶、轮毂等部件损坏，引起整体叶轮的故障，给风机的运行带来严重的灾难。

(2) 风机塔架故障

风机塔架支撑整个机组。在实际风电机组工作过程中，塔架吸收由桨叶传递过来的冲击，同时吸收整体机组的振动，这就需要具有强大疲劳强度，久而久之，塔架将发生疲劳失效。

(3) 偏航系统故障

在偏航电机的转动下，整个风电机组机头偏向风来的方向，当风向调整结束后电偏航机停止。由于偏航系统中不仅含有机械装置，还有电气控制装置，在实际运行中因为风向的改变，需要多次的调整，这就使得偏航系统较为容易发生故障。

(4) 齿轮箱故障 

当齿轮箱投入使用后，长期运行在复杂的交变载荷工况下，风电机组维护不便，造成齿轮箱中元件的各种形式失效，使得齿轮箱部件失去正常功能。 

(5) 发电机故障 

发电机作为实现机械能到电能转换的设备，在风电系统中常见故障有：定子绕组、轴承、转子导杆和端环、联轴器失效等。

滚动轴承故障检测研究现状

滚动轴承及常见故障

风电机组滚动轴承通常由内圈、外圈、滚动体、保持架构成，一般内圈外圈起着支撑或者转轴的作用，滚动体维持旋转运动，保持架避免滚动体相互碰撞。轴承基本结构如图所示。

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图3 滚动轴承结构图

图中主要参数有：

d ——滚动体的平均直径；

D ——滚动体中心圆的直径；

——外圈轨道的平均直径；

——内圈轨道的平均直径； 

α——滚动体受力位置方向与轴承中心轴的夹角；

Z ——滚动体的数目。

图4 滚动轴承基本结构

滚动轴承作为风电机组传动系统中必不可少的部件，其重要性不言而喻。对于风电机组，其负载一般都是变化的，位于低速轴或高速轴的滚动轴承在工作期间都有可能发生故障。各故障产生的故障特征频率不同：

内圈故障：

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