風力發電機組齒輪故障特征分析與應用

孫昊

（大唐昌裕（北京）新能源有限公司,北京 100000）

1 引言

近年來，由于資源短缺和環境惡化，可再生能源和清潔能源的開發和利用廣受重視。風力發電已成為快速發展的可再生能源。隨著需求的增加以及技術的發展，風力發電機組系統結構日益復雜，加上風力發電機組所處的工作環境較為惡劣，導致風力發電機組存在故障率高、故障發現晚、故障維護難等問題。因此，在大力發展風力發電的同時，積極開展設備狀態監測與故障診斷研究有著重大的意義。設備狀態在線監測以及故障診斷可以掌握設備在使用過程中的狀態，早期發現故障及其原因并能預報故障發展趨勢，有效地解決了風力發電機組維護難的問題。隨著狀態監測需求的不斷增大，近幾年，風力發電機組的狀態監測和故障診斷有著快速的發展。

2 風力發電機組齒輪箱結構概述

雙饋機組是目前應用最為廣泛的風力發電機組。與傳統的直驅機組相比，雙饋機組增加了齒輪箱來幫助機組提高運作效率。作為一種精密的傳動部件，齒輪箱有著較高的故障率。

目前風力發電機組的齒輪箱中，主要存在三類齒輪嚙合結構：行星嚙合、平行嚙合、復合行星嚙合。經過三類齒輪嚙合結構的組合，目前市面上較常出現的齒輪箱種類主要包括：一級行星二級平行齒輪箱、二級行星一級平行齒輪箱、三級平行齒輪箱。行星嚙合結構指的是行星輪、太陽輪、內齒圈之間的嚙合結構，3個行星輪安裝在行星架上，行星架轉動帶動行星輪轉動，從而帶動太陽輪轉動，3個行星輪除了圍著太陽輪公轉之外，還存在自轉，內齒圈不轉動。

2.1 一級行星二級平行

一級行星二級平行齒輪箱，由1組行星嚙合以及2組平行嚙合組成。行星嚙合包括3個一級行星輪、1個一級內齒圈、1個一級太陽輪。平行嚙合結構，包括低速軸齒輪、中間軸小齒輪、中間軸大齒輪以及高速軸齒輪。

2.2 二級行星一級平行

二級行星一級平行齒輪箱，由2組行星嚙合以及1組平行嚙合組成。兩個行星嚙合結構分別包含：3個行星輪、1個內齒圈、1個太陽輪。平行嚙合結構由低速軸齒輪以及高速軸齒輪組成。

2.3 三級平行

三級平行齒輪箱，由1組復合行星嚙合齒輪結構以及1組平行嚙合齒輪組成。

1組復合行星嚙合相當于2組行星嚙合，但是齒輪部件有所區別，包括1個一級內齒圈、3個小行星輪、3個大行星輪、1個二級太陽輪。一級內齒圈為動力輸入源。平行嚙合結構則包括低速軸齒輪以及高速軸齒輪。

3 風力發電機組齒輪的故障機理與特征

按照齒輪的故障表現形式，可以將齒輪故障劃分為兩類：分布式故障以及局部故障。其中分布式故障主要是指齒面磨損，但是此類損傷目前對于用戶來說，尚不屬于需要緊急處理的故障；局部故障則包括：斷齒、齒根斷裂、齒面剝落等，相對于分布式故障來說，齒輪的局部故障更加被用戶關心，需要及時發現并處理。

目前對齒輪故障比較有效的預測性監測手段，是通過振動信號的頻譜結構以及時域波形的形態進行特征提取與分析來對齒輪故障進行診斷。在進行具體的齒輪故障振動信號特征分析之前，先對齒輪的相關特征基礎知識進行簡單介紹。

3.1 嚙合頻率

存在嚙合關系的齒輪，就存在嚙合頻率。對于平行嚙合（即齒輪的中心軸無移動），假設輸入、輸出齒輪的齒數以及轉頻分別為：以及，則嚙合頻率 GM=f1·Z1=f2·Z2。

對于行星嚙合來說，因為行星輪的中心軸存在移動，嚙合頻率的求取會復雜一些。假設行星輪齒數為，內齒圈齒數為，太陽輪齒數為，行星輪轉頻為，太陽輪轉頻為，行星架轉頻為。則有：。嚙合頻率

3.2 齒輪缺陷頻率

齒輪缺陷頻率指的是在齒輪存在損傷時，振動信號中表現出來的與該齒輪相關聯的特征頻率。對于平行嚙合來說，齒輪缺陷頻率即為齒輪轉頻。而對于行星嚙合齒輪來說，齒輪缺陷頻率還需要考慮齒輪間的配合關系。

3.3 邊帶

邊帶指的是在利用振動信號進行故障設備分析時，在頻譜中出現的一種現象，即在頻譜中以某個頻率值為中心，左右兩邊距離中心頻率等頻率值的位置存在高值點。

下面對齒輪振動信號的頻譜與時域波形特征進行系統性介紹。

（1）正常齒輪的振動信號特征。理想狀態下的正常齒輪，在嚙合過程中是一種平緩順暢的傳遞關系，不會產生劇烈的沖擊，因此時域波形比較均勻。但是由于嚙合關系的存在，因此頻譜中依然會存在嚙合頻率，嚙合頻率會存在少量諧波，偶爾攜帶少量低能量的齒輪轉頻邊帶。

（2）局部性缺陷齒輪的振動信號特征。局部性缺陷，主要是指齒輪斷齒、裂紋或者大面積剝落，這類故障齒輪在相互嚙合時，缺陷部位接觸時會產生沖擊，在時域波形上則表現為規律的脈沖特征。頻譜上也會相應地呈現故障齒輪轉頻相關特征：故障齒輪轉頻的諧波、嚙合頻率諧波、嚙合頻率攜帶的故障齒輪轉頻邊帶，邊帶表現為能量高，數量較多的特征。此外，存在局部缺陷的齒輪在嚙合時，產生很大的激振力易激發齒輪的固有頻率，因此理論上，頻譜上還偶爾可能會形成以齒輪的固有頻率為中心頻率，故障齒輪轉頻為邊帶的特征。

圖1 局部性缺陷齒輪的理論頻譜結構

（3）分布性缺陷齒輪的振動信號特征。分布性缺陷，指的是缺陷在齒輪上的分布比較均勻、分布面積較大，最常見的就是齒面磨損。當齒輪存在此類故障時，短期內不會對設備運行造成大的影響，但是隨著磨損的加重，最終可能會導致齒輪嚙合完全失效。從振動信號上來看，由于無顯著性的局部損傷，因此不會產生顯著的波形沖擊特征，波形基本與正常齒輪一樣，但是頻譜上存在與故障齒輪相關的特征。主要是故障齒輪轉頻的諧波、嚙合頻率諧波、嚙合頻率攜帶的故障齒輪轉頻邊帶，邊帶主要表現為能量低、數量多。在實際情況中，存在磨損故障的齒輪，長期使用后，有可能轉換成大面積的點蝕甚至剝落，當出現故障性質的轉化后，頻譜形態也會隨著發生變化，主要表現為故障齒輪轉頻邊帶能量的上升。此時，需要及時提醒用戶進行故障排查（圖2）。

圖2 均布性缺陷齒輪的理論頻譜結構

4 案例分析

為證明上述齒輪故障特征在實際風力發電機組齒輪故障診斷上的有效應用，且為了保證案例展示的豐富性，下面將提供3組案例數據的分析過程，分別是高速級齒輪分布性缺陷、高速級齒輪局部性缺陷以及低速級齒輪局部性缺陷。低速級齒輪一般指的是齒輪箱的行星輪結構，包括內齒圈、行星輪以及太陽輪。

4.1 高速級齒輪分布性故障案例

該案例是某風場的一臺二級行星一級平行結構齒輪箱，高速軸齒輪齒面上存在均布性磨損。選取發電機轉速為30Hz的故障數據進行分析，即高速軸齒輪轉頻為30Hz。該齒輪箱高速軸齒輪齒數以及低速軸齒輪齒數分別為：27和102。根據嚙合頻率的求取公式，可以求得三級平行嚙合頻率為810Hz，低速軸轉頻為7．9Hz。

從圖3可以看出，雖然齒輪存在磨損故障，但是時域波形表現得很均勻，無顯著沖擊特征。頻譜背景噪聲能量稍高，存在高速軸齒輪轉頻諧波，其中2倍平行嚙合頻率攜帶比較豐富的故障齒輪轉頻邊帶。邊帶呈現數量多、能量低的分布特征。由于一般的磨損故障現場不會檢修，上面的案例驗證圖片為現場進行內窺鏡檢查獲取的資料圖片，可以看到標注的齒面位置存在磨損的紋理，其他正常齒面則較光滑。

圖3 高速軸齒輪磨損故障特征圖

4.2 高速級齒輪局部性故障案例

該案例與上個案例為同一型號機型，各項參數均一樣。高速軸齒輪某個齒面存在斷齒，屬于嚴重的局部性缺陷。同樣也選取發電機轉速為30Hz時的故障數據進行分析（圖4）。

圖4 高速軸齒輪斷齒故障特征圖片

可以看到，時域波形呈現顯著的周期性沖擊，沖擊間隔為高速軸齒輪轉頻對應的時間長度。頻譜則為典型的局部性缺陷頻譜結構，存在豐富的高速軸齒輪轉頻諧波，三級平行嚙合頻率及其諧波都攜帶了大量的高速軸齒輪轉頻邊帶，邊帶能量較高。結合上述波形沖擊特征以及頻譜的諧波以及邊帶特征，可以判斷該齒輪箱高速軸齒輪存在顯著的局部性缺陷。結合現場反饋回來的檢修照片可知，診斷結論完全正確。

4.3 低速級齒輪局部性故障案例

該案例是某風場的一臺一級行星二級平行結構齒輪箱，行星輪某個齒面上出現大面積剝落，屬于較嚴重的局部性缺陷。選取故障數據中發電機轉頻為20Hz的一條進行分析，則該齒輪箱的相關基礎參數如表1。

表1

通過上述基礎參數，可求得下列相關特征頻率（表2）。

我們對選取的該條振動數據進行了頻譜、波形求取。因為該故障為低速級故障，故障頻率數量級小，若要清晰的識別出來，要求數據具備較高的分辨率，因此選取了一條加速度信號的長波形進行分析與特征展示（圖5）。

表2

圖5 行星輪剝落故障特征圖片

可以看到行星輪故障時的加速度波形呈現規律的沖擊特征，且相鄰沖擊間隔等于或者近似等于行星輪旋轉一圈需要的時間。相應地，在加速度頻譜中，則表現出了比較標準的齒輪損傷的頻率結構，主要由行星輪轉頻豐富的諧波、行星嚙合頻率的諧波、行星輪嚙合頻率攜帶的行星輪轉頻邊帶群組成。

通過上述特征可以比較確定的判斷，該齒輪箱的行星輪存在比較顯著的局部性缺陷。

5 結語

本文主要從齒輪損傷信號特征的研究角度出發，分別結合齒輪箱結構、齒輪特征頻率計算、齒輪故障類型、齒輪特征含義以及表現等相關內容，說明并展示了齒輪各類故障對應的振動信號特征。

本文還提供了3個具體的齒輪損傷案例的分析過程，證明在實際診斷應用過程中，本文提出的齒輪故障振動信號的診斷理論具備一定的實用性。