風力發電傳動系統試驗臺狀態監測

李 崢，王天楊，明安波，秦朝燁，盧文秀，褚福磊

（1.清華大學機械工程系，北京 100084；2.西北工業大學力學與土木建筑學院，西安 710072）

0 引言

國內外針對風電行星齒輪開展故障診斷的研究有很多，但是真正用到實際工程中的卻很少。為此清華大學動力學課題組利用本實驗室的風電齒輪模擬試驗臺開展針對行星齒輪實驗研究，結合各種頻域分析方法開展針對行星齒輪信號分析對比，從而得到更適用于行星齒輪的故障診斷頻域分析方法，為開展旋轉機械故障診斷實驗教學與研究以及后續工程應用提供參考［1-4］。

1 試驗臺

針對1.5 MW風電齒輪箱縮比設計了風電齒輪箱模擬試驗臺，如圖1 所示。風電齒輪模擬試驗臺為一級行星級兩級平行，其內部結構示意如圖2 所示［5-9］，表1 為該系統各級齒輪參數及傳動比。

表1 各級齒輪參數及傳動比

圖1 風電增速齒輪箱

圖2 風電增速箱內部結構示意圖

2 行星齒輪特征頻率分析及實驗

利用行星級齒輪箱特征頻率計算公式［6］，控制器在50 Hz下。行星齒輪故障頻率fpf＝1.16 Hz；行星架轉頻fc＝0.44 Hz，太陽輪轉頻fs＝2.49 Hz，行星級齒輪箱的行星輪與內齒圈和太陽輪的嚙合頻率fm＝34.43 Hz。在嚙合頻率兩邊會出現以fpf故障特征頻率為33.28、35.58 Hz，行星架的fc＝0.44 Hz，調制頻率分別為33.11、33.55、33.99、34.87、35.31、35.75 Hz等，太陽輪fs＝2.49 Hz，調制頻率為31.94、36.92 Hz。

fpf±fc＝0.72 和1.60 Hz，所得到的邊頻為：32.80，33.71，35.15，36.03 Hz。

fs±fpf＝1.33 和3.65 Hz，所得到的邊頻為：30.78，30.10，35.76，38.08 Hz。

fs±fc＝2.05 和2.93 Hz，所得到的邊頻為：31.50，32.38，36.48，37.35 Hz。

fs＋fc-fpf＝1.77 Hz，所得到的邊頻為：32.66，36.20 Hz。

fs-fc-fpf＝0.89 Hz，所得到的邊頻為：33.54，35.32 Hz。

fs＋2fc-fpf＝2.21 Hz，所得到的邊頻為：32.22，36.62 Hz。

采集設備和各種傳感器如圖3 所示，采集模塊為NI設備，加速度傳感器為3056B1，靈敏度為10 mV／g（為了能采集到準確的實驗數據，采樣頻率8.192 kHz，采樣時間60 s）。具體參數如下：靈敏度（10 ±5%）mV／g，量程500 g，頻率響應1～10 000 Hz，質量10 g，溫度范圍-51～＋121 ℃，安裝方法：螺栓。

圖3 NI采集系統

采集硬件設備具體參數如下：cDAQ-9174 采集箱：共有4 個插槽，可插4 個采集卡，最多16 個通道。3個指示燈：POWER，READY，ACTIVE，側面還有一個螺釘連接接地線。NI 9234 采集卡：4-Ch，±5 V，24 bit，51.2 kS／s／ch，Simultaneous，AC／DC Coupling，IEPE AC Coupling，支持AC、DC、IEPE、BNC接頭，可以直接連接加速度傳感器。自帶驅動軟件NI MAX，軟件控制界面如圖4 所示。

圖4 NI MAX軟件控制界面

利用上述程序分別對以下實驗工況進行數據采集，其加載方式為無加載、0.1、0.2、0.3 MPa 4 種狀態下對行星齒輪無故障、剝落、斷齒3 種情況，如圖5所示。

圖5 行星齒輪的故障狀況

3 信號分析與處理

利用風電模擬試驗臺采集得到的無故障、剝落、斷齒三種行星齒輪數據，利用傅里葉、頻譜自相關、包絡譜、平方包絡方法進行對比分析，從而得出針對行星齒輪最優的頻域分析方法［10-16］，如圖6 所示。

圖6 各種分析方式信號分析對比圖

通過對以上4 種頻域分析方法都可以分析出行星齒輪的故障特征頻率。但是各種頻域方法的比較不難發現，平方包絡方法對于此齒輪箱的行星級信號更明顯也更好一些，其次是包絡分析，再次是頻譜自相關，雖然傅里葉變換也可以找到故障的特征頻率，但是，由于頻譜圖上成分過于復雜，不能很快地找到所對應的故障特征頻率。在分析行星齒輪的故障時，不僅要分析信號本身的特征，還要參考其當時工作狀況，這樣才能做出正確的判斷。綜上所述，對于行星齒輪的頻域分析診斷中，診斷能力由大到小排列分別為：平方包絡＞包絡＞頻譜自相關＞頻譜分析。

4 結語

本文利用現有實驗設備，開展關于行星齒輪實驗研究，通過不同頻域分析方法進行信號分析，得到了頻域分析方法在行星齒輪故障診斷的適用性，為開展風電不同工況實驗教學研究奠定了實驗分析和數據處理基礎。