基于有限元的風力發電機組傳動齒輪故障振動分析

陳 靜

(長春理工大學光電信息學院，吉林 長春 130012)

基于有限元的風力發電機組傳動齒輪故障振動分析

陳 靜

(長春理工大學光電信息學院，吉林 長春 130012)

為了增進對風力發電機組傳動齒輪故障情況的了解，掌握振動故障特性，不斷提高發電機組齒輪工作效率，充分發揮有限元理論、齒輪嚙合理論、振動力學作用，構建圓柱齒輪傳動有限元模型，通過對風力發電機組傳動齒輪振動頻率和變形情況的模擬計算，進一步闡述了齒輪故障情況變化以及正常運作變化，掌握齒輪故障振動特性，奠定扎實的風力發電機組齒輪箱故障診斷理論基礎。

風力發電機組；傳動齒輪；故障；振動

1 風力發電機組齒輪箱故障

齒輪是風力發電機齒輪箱故障發生幾率最高的部件，嚴重時還會造成發電機組故障或停機。風力發電機組主要由齒輪箱、離合器及緊急情況下的復位剎車系統構成。利用齒輪箱可提高風輪的轉速，其中水平軸采用了行星齒輪傳動及平行軸齒輪傳動兩種轉動方式。根據傳動級數又可將其劃分為多級齒輪箱、單級齒輪箱。風力發電機組必須要充分發揮齒輪箱機械性能，保證齒輪箱的正常穩定運行，做好振動防護準備。齒輪箱損壞率高的風場損壞率可達50%。

常見的齒輪箱故障包括軸承損壞、油溫過高、輪齒折斷、齒根斷裂等，其中以齒面疲勞故障和輪齒折斷發生概率最大。隨著風電機組的逐步擴容，輪毅高度不斷增加，風力發電機組齒輪箱受力情況越發復雜。由于齒輪箱存在一定的設計缺陷，受風場極端氣溫、潤滑等因素影響，都可能引發故障。復雜地形引發的氣流變動都可能造成齒輪箱交變荷載故障，造成難以估量的損失。

2 構建圓柱傳動齒輪有限元模型

2.1 有限元風力發電機組計算軟件

有限元軟件中普遍會應用到ANSYS技術，該軟件是計算機技術發展的有效方法。基于有限元模型建立的有限元分析，首先要明確分析對象，了解分析對象的物理系統特征，掌握分析的關鍵點。

2.2 有限元模型建立過程

通過這一研究對象實際研究情況分析來看，利用ANSYS軟件建立有限元模型，需要設定分析范疇，了解分析內容，了解材料性能參數，定義模型單元類型，構建幾何模型，進行有限元網格劃分。有限元齒輪模型劃分有限元網格，出于對齒輪精度要求和復雜程度考慮，建立相應的有限元齒輪故障。

3 預應力模態分析

與靜止的嚙合齒輪相比，高速轉動嚙合齒輪的固有頻率會發生一定的變化。充分利用ANSYS預應力結構模態故障分析法，以輸入功率為600 kW的風力發電機組，它的齒輪箱增速比45.03，齒輪箱轉速33.5 r/min，這樣就可以得出結構分析，有效提高嚙合齒輪轉速，并以相同或不同材料下的模態分析計算，增進對有效元模型構成的了解。

預應力模態須要進行深入的結構分析，并進一步求出載荷應力和剛度陣的影響。預應力傳動齒輪結構分析過程總結如下：對分析實例施加載荷、定義邊界條件。求解選項設置、考慮預應力靜力分析邊界條件定義。考慮預應力結構進行求解分析。預應力模態分析需要在結構分析完成后進行結果處理。通常可采用時間后處理器和一般后處理器的方式觀察求解結果和處理結果。高速旋轉傳動齒輪的齒輪應力微小，并不會造成齒輪位移和變形。總地分析來看，結構分析和模態分析約束條件基本相同，這也是結構分析定義轉速時常被忽略的主要原因。

對傳動齒輪前20階固有頻率進行計算，得出載荷頻率范圍，并進一步選取菜單路，進行傳動齒輪固有頻率求解，通過計算得出圓柱齒輪各階固有頻率，并利用有限元分析軟件查看各階模態和振動情況。

通過風力發電機齒輪箱實際案例的模態擴展設置，實現了對每階固有頻率求解，求得相應模態振型，合理選擇菜單路徑，根據系統自動彈出的彩色對話框選擇相應選項，綜合利用選定模態進行各種結果的觀察。低階剛體嚙合齒輪振動打破了齒輪運轉平衡，造成齒輪運轉過程中的劇烈振動，尤其是彎曲振動和扭曲振動最易引發齒輪連接部件破壞，形成結構輻射噪音。齒輪形狀受振動頻率影響較大，振動頻率越大，變形越加嚴重，與之相對應的機械振動基本量也會隨著頻率變化而變化。

根據ANSYS模態分析，圓柱齒輪受固有頻率振動影響下會發生一定的形狀變形和位移進而產生等效應力，具體情況如圖。因此，有必要深入了解齒輪正常頻率變形情況，掌握傳動齒輪正常和非正常情況下的形狀和位移情況，做好相應的防范措施，保證齒輪的正常運轉。而當齒輪故障發生時，齒輪形狀和傳動齒輪輪齒就會發生一定的變化，齒輪故障振動等效應力列示如圖所示：

圖1 圓柱齒輪正常工作頻率下模態振型Fig.1 Modal vibration mode of cylindrical gear at normal operating frequency

圖2 圓柱齒輪故障時振動等效應力圖Fig.2 Vibration equivalent stress diagram of cylindrical gear failure

通過兩圖對比可以看出，圓柱齒輪故障時傳動齒輪產生了變形，且大齒輪發生了較為明顯的扭曲，大齒輪與小齒輪嚙合部分發生了一定的內向扭曲，輪齒存在一定的偏移，嚙合齒輪完全不在統一平面上。齒輪故障時受振動沖擊影響，齒面疲勞度增加，造成齒輪變形、位移，影響齒輪壽命和正常使用，引發故障。結合實際情況可知，大齒輪振動以彎扭振動為主，而小齒輪以轉動主振動為主。按照顏色的不同在圖中代表不同應力值，由于嚙合處輪齒齒根受力最大，也是最易磨損部位，這也是故障易發頻發部位，相對而言齒輪中心節點是最小受力部位。

由上圖可知，不同故障類型基本上是可以從齒輪振動頻率信號判斷出來的，齒輪箱運行過程中會產生多種機械振動，但是故障下的振動與正常振動有著極為顯著的區別，振動信號也多有不同。技術人員有必要加深對振動信號的掌握和了解，提升故障的預防和防范技術水平。采用有限元分析方法進行的風力發電機組齒輪箱圓柱齒輪預應力模態分析得出，前20階相應振型和固有頻率接近實際，是目前齒輪故障振動模態分析中較為準確的一種分析方法，該方法用在齒輪工作狀況判斷和檢測，有效保證了齒輪振動信息的及時準確，為齒輪箱故障診斷奠定扎實的理論依據。

4 結語

基于有限元的風力發電機組傳動齒輪故障振動分析計算結果準確性較高，有著一定的實際意義，可以用于齒輪故障振動研究，這也是目前最為有效的齒輪故障診斷辦法。應當充分利用有限元理論和模型有效性，深入掌握齒輪箱故障問題，做好相應的技術準備和故障防范工作。

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Fault analysis of transmission gear fault of wind turbine based on finite element

CHEN Jing

(College of Optoelectronic Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130012, China)

In order to improve the understanding of the fault condition of the transmission gear of the wind turbine, master the vibration failure characteristic, and constantly improve the working efficiency of the generator gear, give full play to the finite element theory, the gear meshing theory and the vibration mechanics, construct the cylindrical gear transmission finite element model. The gear fault condition and the normal operation change are described, the characteristics of the gear fault vibration are grasped, and the theoretical basis of the fault diagnosis of the wind turbine is established based on the simulation of the vibration frequency and deformation of the gears of the wind turbine.

Wind turbine; Transmission gear; Fault; Vibration

2017-04-21

陳靜(1984-)，女，碩士研究生。

TM315

B

1674-8646(2017)13-0023-02