風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷方法及應(yīng)用研究

郭阿童

摘要：近年來(lái)，我國(guó)對(duì)電能的需求不斷增加，風(fēng)力發(fā)電建設(shè)越來(lái)越多。新型能源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用不僅可以降低能源危機(jī)對(duì)國(guó)家工業(yè)及科技發(fā)展的影響，同時(shí)還可以避免能源在使用及開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)其周遭環(huán)境造成不可避免的污染。而風(fēng)力發(fā)電正是當(dāng)前新型能源中的一種，風(fēng)力發(fā)電主要是利用風(fēng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，中間通過(guò)齒輪箱增速，從而實(shí)現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。為避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的故障對(duì)風(fēng)力發(fā)電造成嚴(yán)重影響，工作人員需要定期對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱進(jìn)行相應(yīng)的故障檢測(cè)。本文首先分析了齒輪箱的結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)故障，其次探討了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)齒輪箱的故障類(lèi)型及振動(dòng)特性，最后就當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷方法進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);齒輪箱;故障診斷方法;應(yīng)用

引言

在齒輪箱的故障情況中，各齒輪箱零件失效比例分別為：齒輪60%，軸承19%，軸10%，箱體7%，緊固件3%，油封1%，齒輪和軸承失效比例最大。所以在風(fēng)電日常運(yùn)維管理中，對(duì)齒輪箱中齒輪和軸承進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷是十分重要的。我們可以從齒輪和軸承振動(dòng)頻譜中看到豐富的故障源信息，不同的故障頻率對(duì)應(yīng)不同故障特征，能真實(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)故障位置、故障程度及故障性質(zhì)。

1齒輪箱的結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)故障

風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程是風(fēng)作用到葉片上，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪帶動(dòng)齒輪箱的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而將動(dòng)能輸送到齒輪箱。齒輪箱將輸入的大扭矩、低轉(zhuǎn)速動(dòng)能轉(zhuǎn)化成低扭矩、高轉(zhuǎn)速的動(dòng)能，通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)將輸入的動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為電能，最后經(jīng)變頻處理后輸送到電網(wǎng)。齒輪箱一方面作為動(dòng)力傳動(dòng)裝置，將風(fēng)輪的動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子;另一方面將風(fēng)輪的低轉(zhuǎn)速提升到發(fā)電機(jī)能夠正常工作所需要的額定高轉(zhuǎn)速。所以，齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈中重要的機(jī)械部件。目前，大型風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱普遍采用二級(jí)行星和一級(jí)平行軸的三級(jí)傳動(dòng)方式，以滿(mǎn)足傳動(dòng)比要求。其中，z表示各齒輪的齒數(shù)，用于計(jì)算齒輪嚙合頻率。由于齒輪箱的長(zhǎng)期高負(fù)荷、高沖擊、高扭矩運(yùn)轉(zhuǎn)，其故障率相對(duì)較高，較為常見(jiàn)的故障包括齒輪故障（斷齒、膠合、點(diǎn)蝕）、軸承故障（軸承過(guò)熱，軸承內(nèi)圈、外圈、保持架、滾子損傷、配合處間隙過(guò)大）、軸不對(duì)稱(chēng)、不平衡等。從而為日常維護(hù)維修提供了重要的參考。在實(shí)踐中，當(dāng)齒輪箱發(fā)生故障后，通常采用內(nèi)窺鏡對(duì)齒輪箱進(jìn)行開(kāi)蓋窺視檢查

2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)齒輪箱的故障類(lèi)型及振動(dòng)特性分析

2.1齒輪箱的故障類(lèi)型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的齒輪箱是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其主要由行星太陽(yáng)輪、中間軸以及行星輪等零部件所組成。由于在齒輪箱中其各零部件的耦合程度較高，因此在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中齒輪箱難免會(huì)出現(xiàn)一些故障。當(dāng)某一齒輪或軸承出現(xiàn)故障時(shí)，其不僅會(huì)影響風(fēng)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)更會(huì)對(duì)齒輪箱整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。而在齒輪箱中，最常見(jiàn)的故障類(lèi)型便是軸承故障以及齒輪故障。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的齒輪箱在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中其軸承與齒輪的故障率高達(dá)79%。

2.2滑動(dòng)軸承故障特征

磨損/間隙：當(dāng)滑動(dòng)軸承間隙過(guò)大時(shí)出現(xiàn)1X轉(zhuǎn)頻及諧頻峰值，激振力會(huì)產(chǎn)生噪聲激起固有頻率GNF（共振），導(dǎo)致底部噪音升高。在更嚴(yán)重情況下頻譜會(huì)出現(xiàn)0.5X和0.3X峰值。油膜渦動(dòng)：頻譜中0.38X-0.50X出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)。由于間隙過(guò)大和徑向載荷較低，導(dǎo)致油膜建立并使轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，渦動(dòng)速度低于0.5X。

2.3滾動(dòng)軸承的失效形式和振動(dòng)特性

滾動(dòng)軸承最常見(jiàn)的失效形式大致有四種，其分別是磨損失效、疲勞失效以及腐蝕失效與斷裂失效。其中磨損失效主要是指滾動(dòng)軸承由于長(zhǎng)時(shí)間的磨損而產(chǎn)生的故障，疲勞失效則是指滾動(dòng)軸承在使用過(guò)程中起滾動(dòng)體出現(xiàn)脫皮以及裂紋所造成的軸承失效。腐蝕失效則是指滾動(dòng)軸承中的零部件由于受到水蒸氣以及腐蝕性液體腐蝕所導(dǎo)致滾動(dòng)軸承失效。最后斷裂失效是指滾動(dòng)軸承由于自身質(zhì)量等原因所產(chǎn)生的斷裂故障。

3當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷方法

3.1故障特征提取

模糊熵為衡量信號(hào)無(wú)序程度的定量指標(biāo)，由樣本熵和近似熵改進(jìn)得到，提高了數(shù)據(jù)獨(dú)立性和相對(duì)一致性，并減少計(jì)算結(jié)果對(duì)參數(shù)的依賴(lài)度和敏感度。因其所需數(shù)據(jù)少和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可利用其構(gòu)建故障特征向量，具體步驟如下：（1）選取齒輪箱正常狀態(tài)和故障狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)作為研究對(duì)象。（2）利用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EnsembleEmpiricalModeDecomposition，EEMD）方法分別對(duì)各振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，得到多組本征模態(tài)分量（IntrinsicModeFunction，IMF）。（3）計(jì)算各樣本IMF分量模糊熵，并將各樣本模糊熵分別構(gòu)建為特征向量。

3.2數(shù)據(jù)層的構(gòu)成和功能

數(shù)據(jù)層位于系統(tǒng)的中間層，該層依托風(fēng)電場(chǎng)主控室裝配的數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別體系數(shù)據(jù)編碼的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)讀取與分發(fā)、數(shù)據(jù)編碼與管理等功能。該層采用SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)大數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)與管理，還可以根據(jù)機(jī)組數(shù)量擴(kuò)展其他平臺(tái)連接，非常方便地組建分布式大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3.3基于改進(jìn)K均值算法的齒輪箱故障診斷

雖然基于EEMD方法與模式識(shí)別方法相結(jié)合的齒輪箱故障診斷方式可以應(yīng)用于多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷中，并且其也有效降低了端點(diǎn)效應(yīng)對(duì)齒輪箱故障診斷準(zhǔn)確度的影響。但這一故障診斷方式對(duì)于樣本選擇的質(zhì)量與數(shù)量均具有較高的要求。這一診斷方法的主要原理便是依據(jù)主成分分析法對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同故障程度的檢測(cè)與診斷。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)故障預(yù)警有針對(duì)性地開(kāi)展運(yùn)維的現(xiàn)實(shí)需求，基于振動(dòng)分析原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的預(yù)定位置安裝傳感器，利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)分析理論對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，從而實(shí)現(xiàn)齒輪箱各個(gè)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)展示。

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