風(fēng)力發(fā)電平行齒輪箱振動(dòng)信號(hào)分析

邱婕 石惠明

摘要：齒輪箱產(chǎn)生的故障信號(hào)通常是非平穩(wěn)的振動(dòng)信號(hào)，當(dāng)齒輪出現(xiàn)故障時(shí)，采集的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)區(qū)別其他的特征沖擊，并伴隨調(diào)制現(xiàn)象。滾動(dòng)軸承在運(yùn)行的過程中，出現(xiàn)的故障也有其相對應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)特征，本文把滾動(dòng)軸承不同故障類型根據(jù)引發(fā)激勵(lì)形式加以區(qū)別，并指出了滾動(dòng)軸承頻譜呈現(xiàn)寬頻特征，在低頻段、中頻段、高頻段都包含軸承故障信息，且頻寬受到許多方面影響。

關(guān)鍵詞：齒輪箱故障;振動(dòng)信號(hào);特征

中圖分類號(hào)：TM614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-9129（2020）14-0027-01

風(fēng)能作為一種可持續(xù)的清潔能源，許多國家已經(jīng)把它作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要能源。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的主要設(shè)備，而齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵機(jī)械系統(tǒng)，其健康狀態(tài)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。齒輪箱在運(yùn)行過程中常見的故障有齒輪斷齒、齒根裂紋、軸承的失效、軸磨損等，嚴(yán)重影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。

1齒輪振動(dòng)與軸承振動(dòng)產(chǎn)生原因

齒輪箱運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)是正常現(xiàn)象，其原因是在生產(chǎn)制造以及裝配過程中無法避免地產(chǎn)生誤差，這些原因都會(huì)造成輕微的振動(dòng)，齒輪嚙合的振動(dòng)機(jī)理產(chǎn)生的原因是當(dāng)齒輪在運(yùn)行時(shí)，相互嚙合的齒輪會(huì)產(chǎn)生沖擊，這種連續(xù)的沖擊會(huì)使嚙合的齒輪振動(dòng)，齒輪的振動(dòng)與嚙合頻率是一致的，由于齒輪在嚙合過程的彈性剛度的周期性變化引起了齒輪的碰撞，導(dǎo)致了齒輪的振動(dòng)并隨之產(chǎn)生的噪聲。根據(jù)振動(dòng)機(jī)理理論，得出當(dāng)齒輪特定部位出現(xiàn)故障時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)和振動(dòng)頻率有別于其他的部。

實(shí)際測量中滾動(dòng)軸承的振動(dòng)是由其工作情況以及故障狀況決定的，還受裝配情況以及外部因素的干擾，所以了解某種因素引起振動(dòng)的信號(hào)特征是前提條件，在此基礎(chǔ)上提取軸承元件的故障特征的沖擊成分，來實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承的故障診斷：

2齒輪箱振動(dòng)信號(hào)特征分析

2.1齒輪故障的振動(dòng)信號(hào)特征。齒輪嚙合的振動(dòng)機(jī)理產(chǎn)生的原因是當(dāng)齒輪在運(yùn)行時(shí)，相互嚙合的齒輪會(huì)產(chǎn)生沖擊，這種連續(xù)的沖擊會(huì)使嚙合的齒輪振動(dòng)，齒輪的振動(dòng)與嚙合頻率是一致的，由于齒輪在嚙合過程的彈性剛度的周期性變化引起了齒輪的碰撞，導(dǎo)致了齒輪的振動(dòng)并隨之產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)齒輪出現(xiàn)上文提到的如斷齒、齒面膠合、齒面磨損等其他問題時(shí)，該故障輪齒在嚙合時(shí)會(huì)產(chǎn)生異于正常狀態(tài)的沖擊，并產(chǎn)生較大的振動(dòng)，依此作為診斷故障的依據(jù)。

當(dāng)齒輪故障時(shí)，采集的信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)區(qū)別其他的特征沖擊，并伴隨調(diào)制現(xiàn)象。邊頻帶是齒輪的振動(dòng)頻譜圖中較為明顯的頻率成分，它出現(xiàn)在嚙合頻率或者其諧波頻率附近，并且呈等間距出現(xiàn)。許多振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制特征都包含在邊頻帶中，當(dāng)邊頻帶增多時(shí)，說明齒輪的嚙合出現(xiàn)故障的概率增大，根據(jù)邊頻帶的距離可以作為診斷故障來源的依據(jù)。因此，對邊頻帶的深入研究能夠更好地認(rèn)識(shí)故障診斷的原理，對齒輪的調(diào)制現(xiàn)象和邊頻帶特征的區(qū)分，能夠提高齒輪故障診斷的準(zhǔn)確性。調(diào)制現(xiàn)象主要有兩種形式：幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。在加工工藝中出現(xiàn)誤差，造成齒輪上的齒距不均而出現(xiàn)的速度變化可能引起頻率調(diào)制問題。而產(chǎn)生幅值調(diào)制的原因是周期變化的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)傳動(dòng)過程中，齒面出現(xiàn)缺陷，例如載荷不均都會(huì)引起幅值調(diào)制現(xiàn)象。

頻率調(diào)制現(xiàn)象與幅值調(diào)制現(xiàn)象相比較有不同之處，幅值調(diào)制現(xiàn)象主要以嚙合頻率為中心，還會(huì)產(chǎn)生族邊頻帶，而頻率調(diào)制不僅會(huì)有故障信息的族邊頻帶，還產(chǎn)生一個(gè)諧波信號(hào)。為了處理幅值和頻率調(diào)制可以通過一些信號(hào)數(shù)據(jù)處理得到包含故障信號(hào)的變頻帶。

2.2滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)信號(hào)特征。滾動(dòng)軸承在運(yùn)行的過程中，出現(xiàn)的故障也有其相對應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)特征，根據(jù)分析信號(hào)形式的不同，把滾動(dòng)軸承不同故障類型根據(jù)引發(fā)激勵(lì)形式加以區(qū)別，大體可以分為三類：

（1）當(dāng)運(yùn)行的滾動(dòng)軸承出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，各零件磨損加劇，導(dǎo)致溫度升高，材料性能下降，產(chǎn)生較大沖擊，沖擊強(qiáng)度影響軸承損壞程度，這種情況成為尖峰型沖擊波;當(dāng)滾動(dòng)軸承由于維護(hù)不善或異物侵入等原因造成其表面粗糙度改變，表面材料出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象時(shí)，滾動(dòng)軸承在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻帶交變的激勵(lì)成分，且這種激勵(lì)力是不具任何規(guī)律性;

（2）滾動(dòng)軸承在沒有發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，由于運(yùn)行環(huán)境不潔凈，造成零件表面產(chǎn)生凸凹不平的工作面，此時(shí)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)會(huì)包含交變的激勵(lì)成分，而且激勵(lì)力不具有任何規(guī)律性;

（3）滾動(dòng)軸承在齒輪箱的安裝過程中也會(huì)存在問題，造成測得的滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)類正弦波的信號(hào)，另一方面軸承存在加工精度的問題例如滾道表面有波紋，滾動(dòng)體圓度偏差都會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。

根據(jù)以上分析，得出在運(yùn)行中的軸承會(huì)產(chǎn)生一種或多種的激勵(lì)，要區(qū)別各種激勵(lì)對軸承造成的影響，因此還要了解滾動(dòng)軸承頻譜的一般特征：

①滾動(dòng)軸承頻譜呈現(xiàn)寬頻特征，在低頻段、中頻段、高頻段都包含軸承故障信息，而且頻寬受到許多方面影響例如：軸承損傷類型，軸承尺寸、形狀和轉(zhuǎn)速等因素;

②在低頻段的軸承信號(hào)主要包含軸承的特征頻率和軸承固有頻率成分。主要對應(yīng)故障有裝配不對中和保持架變形;但在運(yùn)行的齒輪箱診斷過程中軸承低頻段信號(hào)能量很小，往往被噪聲干擾，不易提取;

③在中頻段的軸承信號(hào)包含軸承其零件固有頻率特征;

④高頻段的軸承信號(hào)主要是由于沖擊多引起的，而劇烈的沖擊是形成故障的原因，因此對高頻段的分析，可以對軸承的相應(yīng)故障進(jìn)行診斷。例如，滾動(dòng)軸承內(nèi)外環(huán)及滾動(dòng)體發(fā)生疲勞或點(diǎn)蝕等故障時(shí)，在頻譜中高頻段出現(xiàn)以外環(huán)固有頻率為載波頻率的調(diào)制邊頻成分。

3結(jié)語

風(fēng)力機(jī)齒輪箱的主要由一級(jí)行星輪系和二級(jí)平行輪系結(jié)構(gòu)組成，齒輪箱在運(yùn)行中故障比例較大是齒輪和軸承結(jié)構(gòu)，文中分析了齒輪的振動(dòng)產(chǎn)生原因，也說明滾動(dòng)軸承的振動(dòng)產(chǎn)生原因。通過對故障理論分析，總結(jié)出齒輪和軸承的振動(dòng)信號(hào)特征信息。：

參考文獻(xiàn)：

[1]譚曉靜.北票風(fēng)電場發(fā)電機(jī)組的齒輪箱故障診斷研究：（碩士學(xué)位論文）.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010.

[2]王曉斌.基于粒子濾波的齒輪箱故障診斷研究：（碩士學(xué)位論文）.太原：中北大學(xué)，2011.