風機齒輪箱故障診斷與預警研究

段慧云 夏志平

摘 ?要：能源是國家經(jīng)濟發(fā)展的命脈所在，一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展情況與其能源的供應量有直接的聯(lián)系，在眾多能源中電能占據(jù)絕對的主導作用。近年來，我國風電行業(yè)發(fā)展迅速，越來越多的風電機組投入到風力發(fā)電運行中，且隨著技術水平的不斷提升，風機單機容量和總?cè)萘砍手鹉暝龃蟮内厔荩嚓P人員對風電設備的安全性和可靠性也有了更高的要求。但不可避免的是，隨著風機設備投入時間的增加，風機系統(tǒng)逐漸進入故障高發(fā)階段，一些故障會直接影響到風機的使用，進而影響到風電場的正常運行，甚至如果發(fā)生嚴重故障還可能危及到相關人員的人身安全。風機齒輪箱是風電機組中最重要的組成部分，經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷和交變載荷的影響，是風電機組中出現(xiàn)故障情況最多的部件，且一旦風電機組發(fā)生故障會給相關部門帶來巨大的經(jīng)濟損失甚至威脅到工作人員的生命安全，在此背景下，文章對風力發(fā)電機齒輪箱的故障診斷和預警進行了研究，為風力發(fā)電機機械設計的完善度提供了一定的借鑒。

關鍵詞：風機齒輪箱;故障;診斷;預警;研究

中圖分類號：TM315 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）28-0121-02

Abstract： Source of energy is the lifeblood of national economic development. The development of a country's national economy is directly related to its energy supply， and electric energy plays an absolutely dominant role in many energy sources. In recent years， with the rapid development of wind power industry in China， more and more wind turbines are put into wind power generation operation， and with the continuous improvement of technical level， the single unit capacity and total capacity of wind turbines are increasing year by year. The relevant personnel also have higher requirements for the safety and reliability of wind power equipment. But inevitably， with the increase of the input time of the fan equipment， the fan system gradually enters the stage of high incidence of faults， some faults will directly affect the use of the fan， and then affect the normal operation of the wind farm. Even if a serious failure occurs， it may endanger the personal safety of the relevant personnel. The turbine gearbox is the most important part of the wind turbine， which is often affected by the impact load and alternating load， and is the component with the most faults in the wind turbine. Since the failure of the wind turbine will bring huge economic losses to the relevant departments and even threaten the life safety of the staff， in this context， the fault diagnosis and early warning of the gear box of wind turbine are studied in this paper， so as to provide a certain reference for the perfection of wind turbine mechanical design.

Keywords： fan gearbox; fault; diagnosis; early warning; research

1 概述

在國家建設發(fā)展中，煤、石油和天然氣等化石能源發(fā)揮了巨大的作用，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的生活需求，但這些化石能源在短期內(nèi)不可再生，且燃燒會對環(huán)境造成較大程度的污染，因此為了更好的實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展，中國乃至全世界都在開發(fā)新能源，保護地球現(xiàn)有環(huán)境上達成了共識。在新能源中，風能是一種典型的可再生、無污染的自然能源，如果能夠充分利用風能進行發(fā)電將會使電力行業(yè)有突破性的變革，具有極大的現(xiàn)實意義。眾所周知，運用風力發(fā)電風電機組是必不可少的機械設備，通常來說風能在高山、海島以及一些荒野地區(qū)較為豐富，因此風電機組常年在以上惡劣環(huán)境下工作運行極易發(fā)生機械故障，據(jù)統(tǒng)計分析風電機組中齒輪箱是最容易發(fā)生故障且一旦發(fā)生故障診斷時間最長、導致經(jīng)濟損失最大的部件，再加上風機齒輪箱較其他結構而言具有更精細的結構構成，因此對風機齒輪箱故障診斷與預警也有更高的要求。

2 風機齒輪箱故障診斷方法研究

2.1 風機齒輪箱故障診斷的發(fā)展歷史

從國內(nèi)外風機齒輪箱故障診斷歷史上分析，其主要經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。第一，人工診斷階段。在早期，一切工業(yè)生產(chǎn)機械設備發(fā)生故障基本都是通過人工診斷方式進行的，對于風機齒輪箱故障來說，通常是操作人員通過專用的檢測儀器對齒輪箱的振動信號進行檢測和記錄，然后根據(jù)自身的操作經(jīng)驗對數(shù)據(jù)加以分析判斷，在人工診斷階段，人們采用的分析方法也相對較為單一，且診斷準確度有限，因此這一時期的診斷功能具有一定的局限性不易大范圍擴散。第二，計算機輔助診斷階段。隨著科學技術和電子信息技術的不斷發(fā)展，計算機被越來越多的應用在機械設備診斷工作中，一般來說從機械數(shù)據(jù)的收集到數(shù)據(jù)庫的建立分析，都可以借助電子計算機得以完成，甚至一些計算機能夠直接診斷出機械設備的具體故障，常用的計算機診斷算法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡診斷和專家系統(tǒng)診斷等。第三，網(wǎng)絡化診斷階段。網(wǎng)絡化診斷是計算機故障診斷的發(fā)展和延伸，它比計算機診斷更加智能化，能夠更加充分地利用有效的網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)無人化遠程診斷，網(wǎng)絡診斷技術的運用一方面增強了機械故障診斷的準確度和效率，另一方面大大節(jié)省了人力物力，更加方便進行統(tǒng)計管理，有助于管理操作人員更全面的掌握控制風機齒輪箱的運行狀態(tài)。

2.2 國內(nèi)風機齒輪箱故障診斷方法研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國國內(nèi)風機齒輪箱故障診斷方法有很多，其中技術最成熟，效果最穩(wěn)定的為振動信號分析法，振動信號分析法是一種利用傳感器對機械設備的運行速度和運行信號進行采集的方法，具體來說，振動信號分析法可以分為以下三類：時域分析法、頻域分析法和時頻域分析法。

（1）時域分析法：風機齒輪箱時域分析法是一種最為直觀的故障診斷方法，這種方法是對原始信號進行提取，這種原始信號屬于時域信號，技術人員對收集起來的信號的時域特征進行分析。風機齒輪箱存在不同的故障會通過不同的時域信息表現(xiàn)出來。時域分析法的優(yōu)點是分析數(shù)據(jù)能夠更加直觀簡潔的被展現(xiàn)出來，但是它也有一定的缺點，就是其反應的故障信息量較為有限，因此檢測故障時無法準確的檢測出故障發(fā)生的位置，通常需要與其他設備儀器或者檢測方法相配合。（2）頻域分析法：風機齒輪箱故障頻域分析法是將時域振動信號轉(zhuǎn)換成為頻域信號后，通過對頻域信號的特征分析進行故障判定的方法，其診斷原理是如果齒輪箱發(fā)生故障，其發(fā)出的頻率信號在某些頻率點上往往具有較大的振幅，技術人員能夠通過對振幅進行分析，找出齒輪機出現(xiàn)故障的部位和原因，進而對齒輪機進行有針對性的故障維修。通常情況，按照分析普的不同，可以將常見的頻域分析法分為頻譜分析、高階譜分析和解調(diào)譜分析。頻域分析的優(yōu)點是能夠?qū)收喜课贿M行準確的定位，但是如果風機齒輪箱發(fā)出的信號不夠平穩(wěn)，則其故障診斷能力較差。（3）時頻域分析方法：由于齒輪箱組成結構極為復雜，其振動信號也無法保證一直平穩(wěn)，因此單純依靠頻域分析法無法準確體現(xiàn)其存在的問題，在此背景下時頻域分析法應運而生。顧名思義，時頻域分析法能夠同時獲得振動信號的時域特征和頻域特征，且即便振動信號不夠平穩(wěn)時常發(fā)生變動也能夠進行準確測量。當前較常見的時頻域分析法包括短時傅里葉變換和小波變換等。

2.3 國外風機齒輪箱故障診斷方法研究現(xiàn)狀

相對于國內(nèi)，國外學者對于風機齒輪箱故障的研究起步更早，早在上世紀八十年代，人們就已經(jīng)研究出方法——通過對齒輪嚙合振動信號的振幅和相位調(diào)節(jié)對齒輪箱中齒輪存在的故障進行分析。上世紀九十年代，技術人員提出可以運用神經(jīng)網(wǎng)絡等方法實現(xiàn)對齒輪箱存在故障的診斷，幾年后，一個用于風機異常診斷的智能故障檢測系統(tǒng)框架被提出，這個框架被成功的安裝在風機系統(tǒng)的微處理器上和風機外部的PC端上。近年來，科學人員又研究出一套風機齒輪箱智能預測系統(tǒng)維護軟件構架，通過這個智能構架，人們能夠?qū)︼L機進行實時監(jiān)控，一旦風機出現(xiàn)問題便能在第一時間得以發(fā)現(xiàn)，并作出及時的補救。

3 風機齒輪箱故障預警方法研究

3.1 仿真分析預測法

近年來，隨著風機系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其內(nèi)部復雜程度也越來越大，設計并成功制造一臺風機齒輪箱，需要耗費大量的時間和資源，因此從根本上提升風機齒輪箱的建造質(zhì)量，增強風機齒輪箱的安全可靠性已經(jīng)變得越來越重要，在此背景下，仿真預測分析齒輪箱的故障受到學者和技術人員的廣泛重視。運用仿真技術，技術人員設計出了能夠?qū)鲃拥凝X輪機振動情況進行觀察、記錄、分析的觀測器，觀測器的運用對齒輪箱的故障分析起到了一定的指導作用。

齒輪失效最為典型的形式包括點蝕、彎斷、膠合和磨損，這些失效故障最主要的問題就是齒輪機中的潤滑系統(tǒng)存在問題，因此對于這類故障可以對齒輪箱的潤滑系統(tǒng)進行仿真模擬，通過模擬實驗可以得出結論當風機齒輪箱存在故障的情況下，齒輪箱的漏油情況與風機傳動系統(tǒng)疏忽效率成反比，因此等風機齒輪箱出現(xiàn)此類故障隱患時，該模型就能出現(xiàn)相應的反饋，從而達到良好的故障預測效果。

3.2 油品性能檢測預測法

系統(tǒng)潤滑不良是導致風機齒輪箱出現(xiàn)故障的主要原因，如果潤滑油品質(zhì)性能不符合要求，在運行過程中就會導致材料發(fā)生劇烈磨損，因此技術人員如果能對齒輪磨損程度以及潤滑質(zhì)量進行檢測，就能夠在很大程度上提升風機齒輪的安全性和可靠性。現(xiàn)階段，我國國內(nèi)對風機齒輪潤滑油的檢測還停留在實驗室內(nèi)，技術操作人員每經(jīng)過一段時間便對潤滑油進行一次抽樣分析，檢測過程包括對潤滑油油品質(zhì)量的檢測和對齒輪機磨損程度的檢測。根據(jù)實際經(jīng)驗可知如果潤滑油中摻雜過多的水分，會使油液內(nèi)的油泥變多，降低潤滑油的潤滑效果，從量化方面舉例分析，當潤滑油中的水分含量超過0.1%時，油液便會發(fā)生變化，當潤滑油中的水分含量超過0.4%時，就會嚴重影響油液的潤滑效果，進而導致齒輪或者軸承因過度摩擦產(chǎn)生不必要的磨損。另外，潤滑油的粘度和總酸值也對潤滑油的潤滑效果有絕對的影響，如果潤滑油的粘度變化范圍過大，超出規(guī)定范圍時，潤滑油就會發(fā)生氧化反應，油品質(zhì)量受到嚴重影響，如果潤滑油的總酸值過大，齒輪的腐蝕磨損也會變大，使齒輪和軸承產(chǎn)生額外磨損。針對這種情況，可以對潤滑油中的金屬磨粒進行檢測和分析，進而掌握軸承和齒輪的磨損情況。例如可以采用SEM/EDX等分析方法對潤滑油中顆粒的污染程度和磨損程度進行分析，通過分析結果得出待檢齒輪發(fā)生故障的原因和程度。相對于離線檢測法，油液還可以進行在線實時檢測，在線監(jiān)測法一方面能夠?qū)τ鸵旱馁|(zhì)量進行隨時分析，及時發(fā)現(xiàn)油液存在的隱患，還能對油液中攜帶物的狀態(tài)進行隨時監(jiān)測，進而分析出齒輪箱中關鍵部件的磨損狀況，換句話說油液的在線監(jiān)測能夠?qū)鹘y(tǒng)的設備事后維修轉(zhuǎn)化為事前預防。

4 結束語

相對于國外來說，我國風電機組油液故障監(jiān)測系統(tǒng)起步較晚，還存在監(jiān)測準確度不夠精確、可靠性差，監(jiān)測數(shù)據(jù)無法完全解讀等問題。因此深入對油液監(jiān)測系統(tǒng)的研究，運用科學智能的方法增強監(jiān)測系統(tǒng)的有效性是未來油品在線監(jiān)測的主要發(fā)展方向。

參考文獻：

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[2]張欣欣.風力發(fā)電機齒輪箱故障預警方法研究[D].燕山大學，2017.