浅谈风电机组塔架的损伤理论与振动监测

包秀鹏

摘 要：本文主要对风电机组塔架的损伤理论和振动监测进行分析，从这两方面进行阐述，使相关人员能够掌握塔架的损伤理论。在振动监测分析中，需要针对风电机组塔架的振动特点与原则、载荷测试的条件、振动信号的分析与处理情况进行讨论，使风电机组的运行效率得到提升。

关键词：风电机组；塔架；损伤理论；振动监测

风电机组是一种能量转换装置，按照能量守恒定律将大自然中的风能转换成电能。具体过程是通过流动的风，使风轮转动，然后这些动能会转换为机械能的装置中的机械能，再由传功系统带动发电机转动，从而将机械能转化为电能。塔架在风力发电机组中，主要起到承接作用，与地基相连，支撑整个发电机组的重量，如果塔架出现弯曲或折断，会导致整个风电机组停产甚至倒塌，所以相关人员应重点研究这部分内容。

1.风电机组塔架的损伤理论

风电机组的机械零件在工作中，各点的受力情况会因为时间不同而出现周期性变化，这种力也被称为变应力。如果零件长期在这种应力情况下使用，材料就会出现断裂或折断，从而导致损伤[1]。很多机械零件的疲劳断裂都是受到不断变化且重复施加的载荷时发生的，载荷不断积累就会导致零件最终因疲劳损伤，这就是损伤理论。

该理论的主要内容是机械零件在荷载的作用，出现疲劳，在这个过程中产生的疲劳导致损伤原则。以某风电机组的运行情况为例，其零件在工作过程中，吸收能量达到了荷载的极限，就会导致疲劳损坏。现假设零件损伤前吸收能量的最大值为W，并假设该零件受到荷载的循环次数为N，那么当某一循环数为n1时，该零件吸收的能量为W1，那么零件吸收的总能量与承受的荷载循环次数为正比例关系，具体公式如下：

如果零件受到的荷载由不同的循环应力组成，具体有l个，那么在单独承担各项应力时，每个应力的疲劳寿命都不一致，分别为N1，N2，……，Nl，由此每个应力的循环次数为n1，n2，……，nl，那么损伤的表示公式如下：

在公式中，ni——在一段应力范围内的作用载荷循环次数；

Ni——在一段应力范围内的作用载荷疲劳寿命。

如果零件的载荷符合上述公式，那么零件在工作时，承受的载荷与其中吸收的能量到零件的极限值W，在此时容易出现疲劳并出现损伤。

2.风电机组的振动监测

2.1塔架的振动特点与原则

风电机组中水平轴的塔架顶端安装风轮和机舱，提高风电机组的效率，风轮和机舱的质量也会受到影响[2]。自然界中的风是时刻变化的，在时间上和空间上都没有规律，所以作用在塔架上的载荷非常复杂。

在风电机组的在线监测系统中，应及时获取载荷信号，这是故障诊断和在线监测的前提条件。相关人员应布置传感器，确保能够获取到准确的振动信号。传统的载荷传感器一般包括变片、传感器或应变计电桥[3]。风力发电机组的载荷测试一般运用测试装置的传感器，然后分析塔架的静电载荷和疲劳强度载荷，在塔架的最大应力应变化、最大位移处进行布置。

2.2载荷测试的条件

进行风电机组进行测试时，风机必须满足一定载荷，通常是在风力发电机的满负载20%以上，比如针对1.5MW的风机测试，所以该风机的负载要满足300KW的情况，才能进行操作[4]。相关人员进行采集数据时，要选在合适的时间，并确保风机转速和风能较为稳定，同时负载情况也较为稳定，然后记录各监测点的关键性数据，如风速、风压及风电机组的功率等。

2.3振动信号的分析与处理

风电机组在运行中，因为受到冲击或碰撞的影响，会产生振动，工作人员需要提取这些振动信号进行仔细分析。这些振动信号中，包含大量的信息，而这些信息在振动信号中会通过不同的形式表示出来。从这种现状来看，振动信号的信息能够更加准确反映风电机组的运行状态，所以风电机组的振动监测能够更加准确的掌握风电机组的运行情况[5]。

振动信号主要有平稳信号和非平稳信号两种，这两种信号对应的分析方法也不同，风电机组的振动信号一般是根据时间做无规律变化，对于非平稳信号的分析方法一般有小波变化和经验模态分解等。小波变换是应用最广的信号分析方法，在参数识别和振动模态得到了大范围的应用。小波变换与其他信号分析方法比较，有两个重要的特性：分析分辨率信号的时域和频域变化，并快速从多通道进行带通滤波。小波变化具有滤波特性，相关人员应根据这一特点，先原有的信号空间进行分解，并对信号进行滤波处理分析，可以得知那些想要消除的频率范围对应的空间序列号为零，然后再重新计算剩余频率范围的信号，得到间距高频、低频并带有多个带阻的多个滤波器。

相关人员要做好信号的降噪处理，诊断故障时，监测到振动信号都含有噪声，所以噪声处理能够分为两种情况处理，一种是噪声的处理是确定性的，相关人员先了解噪声的频率和频率范围，这时需要采用小波变化的滤波性；第二种是处理不确定的噪声，相关人员无法在监测前得知噪声的频率和范围。

3.结束语

通过上文对风电机组塔架的损伤理论与振动监测的分析，能够得出塔架在风电机组中具有重要的作用。相关人员为了降低风电机组出现故障的几率，使维护成本降低，提升风电机组的经济效益，应重点分析风电机组的关键零部件，掌握损伤理论，做好塔架的振动监测工作，提升风电机组的经济效益。

参考文献：

[1]户秀妹.风电机组塔架的损伤理论与振动监测[D].华北电力大学，2013（3）：194-195.

[2]郭欣.风电机组振动监测系统的开发[D].南京师范大学，2012（3）：124-125.

[3]曹斌.风电机组振动监测与故障诊断系统研究[D].广东工业大学，2014（5）：175-176.

[4]许明.风力发电机组轮穀和塔架的载荷分析研究[D].内蒙古：内蒙古农业大学，2009.