風力發電機轉速對齒輪箱振動的影響規律研究

尚斌

（魯能新能源（集團）有限公司河北分公司，河北 張家口 075000）

近些年伴隨著新能源發電技術的不斷發展，風力發電這一種環保、經濟的清潔能源開發方式逐漸被世界各國所認可。近些年有多個研究發現，風電機組在20年的運行周期內維修成本占據整個生產效益的25%，其中傳動鏈發生機械故障是導致風機被迫停機的主要因素。在風機當中齒輪箱屬于主要的傳動設備，所以對齒輪箱的工作狀態進行實時監測是保障風機運行效益的關鍵。

1 風電機組轉速監測規律

當前，最為普遍的齒輪箱狀態監測一般是以振動信號為主，應用相應的處理方式對振動信號實行相應分析，從信號的時域、頻譜當中尋找到關鍵的齒輪故障信號成分，并從中獲得齒輪箱的故障類型。但是，應用基于振動信號的方式對風電齒輪箱實行相應的狀態監測，可以基本明確兩個方面的問題：一方面風電齒輪箱一般會涉及到行星輪系與定軸輪系，其均屬于典型的復雜化齒輪傳動系統，振動的信號成分相對于定軸齒輪箱更加繁瑣；另一方面是根據振動信號的狀態監測方式而言，一般都需要齒輪箱的轉速相對保持穩定。但是風電機組因為會直接受到來自風速的影響，所以在變速轉動工作情況下促使基于振動信號的狀態監測方式實施難度比較高。為了更好的實現對風電機組的齒輪箱狀態監測，有必要先分析轉速波動并對風電機組的齒輪箱振動信號的規律，并借助相應的方式消除或降低轉速波動對于整個振動過程的影響，進而將振動信號轉變成可以應用于風機齒輪箱狀態監測的數據信息。下面對多個風電機組的實際監測中所獲取的數據進行總結分析，從而明確風電機組轉速對于齒輪箱的振動信號影響規律。

2 風電機組監測數據的分析

（1）監測數據。下面以某風力發電廠的SL1500型號的風電機組主傳動鏈的數據進行分析，其主要是由葉片、齒輪箱以及發電機等構成，其中齒輪箱的結構屬于兩級行星添加一級定軸，風機振動主要是以CSM在線監測系統進行數據儲存，同時分布在密集儲存區與稀疏儲存區兩個方面，密集儲存區主要是以目前時刻向前推大約50d，這一區域的數據普遍間隔為3h45min，稀疏儲存區主要是以密集儲存區之前的所有歷史記錄，這一區域的數據間隔時間大約為1d。每一個測量點的采樣頻率均在轉速達到25600Hz，在低轉速時保持在2560Hz以上，數據的長度均以102400為標準，完成對所有數據的測量與儲存工作。

風力發電廠的某臺風機在運行過程中監測到齒輪箱存在故障，并選擇這一風機正常運行時的一組振動信號以及故障運行時的一組振動信號，同時對兩個信號以時域波的方式表現出的數據，其分別為圖1與圖2。通過圖1與圖2的對比可以基本明確，齒輪箱在正常運行過程中振動信號的幅度并不大，但是在齒輪箱發生故障的情況下，振動信號的幅度有明顯的提升，同時信號當中會存在比較突出的周期性調制成分。

圖1

圖2

針對上述數據，為了更好的明確齒輪箱振動信號在整個使用周期當中的變化狀況，提取出關于振動信號的有效值數據，同時以時域波形圖方式表現出來，最終發現有效值在整個壽命周期中會呈現出不斷上升的狀態，因為風電機組的轉速會存在實時性的波動，整個周期內的所有有效值會表現出比較突出的波動性，這對于風機的狀態監測以及衰退的趨勢影響也比較突出。對此，需要不斷的深入探討轉速對于振動信號的影響規律，并且需要采取針對性措施降低轉速對于振動的相應影響。

（2）降低轉速的影響。按照上述所獲得的數據進行分析，應用下列的轉化公式對振動的信號有效值進行相應的分析處理，并降低轉速波動對振動信號的有效性影響分析，風機額定的轉速普遍屬于最大的轉速，并將風機在任意轉速之下的有效值轉化為額定轉速之下的有效值相當量，并最終獲得某時刻振動信號的有效值=有效值×風機額定轉速/某時刻風機的轉速。因為本次研究所選的風機額定轉速為1800r/min，通過對故障機組在使用壽命當中的有效值進行轉化，轉化完成后的有效值當量結果詳情見圖3。從中可以發現有效值的當量提升趨勢更加突出，局部波動有明顯的緩解，同時可以有效的表現出齒輪箱的健康狀態，并為齒輪箱的狀態監測提供有效的數據指標。

圖3 齒輪箱壽命周期內振動信號有效值變化趨勢

3 風力發電機齒輪箱傳動系統的振動問題

在風力發電機組當中齒輪箱屬于關鍵性的設備部件，同時也是故障發生率最高、經濟效益影響最為突出的部件。齒輪箱的故障具備維修難度高、時間消耗大、費用成本高等特征，一旦發生問題，必然會對整個風電場形成直接經濟影響。對此，有必要提升齒輪箱的工作可靠性，提高整個發電機組的工作穩定性，并保持風電機組的工作效益。風電機組的齒輪箱動態特性的研究對于提升整個風力發電機組系統的穩定性、安全性有著重要的意義和價值。對于本次研究所選擇的風力發電機組的齒輪箱而言，應用數值模擬的方式研究傳統系統的軸系在扭轉振動方面的特點，然后為風力發電機組在齒輪箱方面的設計提供相應的數據支撐。

通過多方面研究，最終總結出下列幾點結論：第一，風電機組的齒輪箱軸系運行的規律特點，可以將整個行星軸系簡化成為多個借助無質量彈簧連接的剛性圓盤，并提出關于傳遞矩陣與點傳遞矩陣的表現方式，將所有軸系的運行制作成為一個等效的成為制定軸系的運動，從而提出關于風電機組的齒輪箱星輪軸系扭轉振動的傳遞矩陣模型。第二，應用SilidWorks的方式構建關于行星架的三維模型，同時在導入ANSYS軟件的網格劃分后，所獲得的行星架有限元的分析模型，計算出行星架的扭轉剛度以及等效的轉動慣量，并分析總結單元數目對于等效扭轉剛度與轉動慣量的針對性規律分析，應用MATLAB軟件實現對風電機組齒輪箱軸系扭轉振動的特性分析，并借助對簡單軸系與部分復雜軸系的傳動系統扭轉振動特性驗證整個程序的準確性。第三，按照所需要的參數進行設計，構建關于風力發電機組的齒輪性傳統系統模型，同時應用編制的AMTLAB程序對齒輪箱的模型實行扭轉振動特性的分析，計算傳統系統所具備的頻率和主振型，總結關于行星架壁厚對于系統的固有頻率的影響，從而降低這一影響。通過單獨分析系統低速軸所具備的固有特性，提升行星架壁厚對于風電機組齒輪箱的固有特性影響。國外有研究者對于行星齒輪傳動系統進行了大量的研究，對于不同的激勵齒輪動態特性的研究方式，構建單級的行星齒輪傳動系統線性純扭轉模型，研究應用不同齒形的星星傳動系統動態特性的分析，構建了涉及制造誤差的非線性動力學模型，這一個模型可以有效的預測出因為制造誤差而導致的質邊頻帶。另外，還有研究借助建立行星齒輪傳動系統的有限元、應力動力學模型等分析行星齒輪的動力響應特性。通過分析發現，齒輪箱當中的齒側間隙會導致齒輪之間發生沖擊，并形成噪音，從而影響齒輪箱的使用壽命，對于齒輪的動態化特性和荷載特性會形成直接性的負面影響。但是借助建立包含側齒間隙的風力機行星傳動系統的平移、扭轉耦合振動動力學的方程，可以應用相應算法對系統的微分方程進行分析，從而明確影響振動的主要因素，明確轉速對于齒輪箱振動的影響規律，為后續的參數設計與結構優化提供數據支撐。

4 結語

綜上所述，本文簡要分析了風力發電機轉速對齒輪箱振動的影響規律，基本明確了風電機組的齒輪箱振動信號與轉速信號之間的關系，基本解釋了關于振動信號和轉速信號之間所存在的線性關系，同時總結了關于任意轉速之下振動信號的健康指標轉化為額定轉速，降低轉速波動對于振動信號的影響。在實際工作中可以基于本次研究所獲得的結論，繼續對風電機組的齒輪箱健康狀態進行針對性的研究，力求齒輪箱健康狀態的實時監測與故障的自動化識別目標的實現。