風(fēng)電機(jī)組多級(jí)齒輪系統(tǒng)的故障動(dòng)力學(xué)特性分析

張二輝 冉子碩 張文雄

摘要：近些年，為了解決能源供應(yīng)緊張和環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)對(duì)新型清潔能源進(jìn)行有效利用，提升清潔能源利用率是當(dāng)前面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。無(wú)論是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還是風(fēng)力發(fā)電成本都有著較高的優(yōu)勢(shì)，因此發(fā)展速度較快。為了確保風(fēng)電機(jī)組處于穩(wěn)定且可靠的運(yùn)行狀態(tài)，防范因故障而造成不良的后果，就需要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)控結(jié)構(gòu)和重要部位的具體運(yùn)行狀態(tài)，全面識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)精準(zhǔn)的分析，為后期風(fēng)電機(jī)組齒輪系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作高效率開(kāi)展以及動(dòng)力學(xué)建模提供可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；齒輪；故障；動(dòng)力學(xué)

DOI：10.12433/zgkjtz.20240353

一、風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能的極佳方式。為了避免傳統(tǒng)能源對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生不良影響，近些年，我國(guó)加大了對(duì)風(fēng)力發(fā)展的重視程度。風(fēng)力與其他類型的可再生資源相比，風(fēng)力發(fā)電無(wú)論是技術(shù)成熟度還是成本控制以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)都有著明顯的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中，風(fēng)能將發(fā)揮出一定的優(yōu)勢(shì)。其中，有關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)以及從氣流內(nèi)的位置，可以劃分為水平軸以及垂直軸風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)速變化有著不穩(wěn)定性現(xiàn)象，在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行期間，要想提升轉(zhuǎn)化風(fēng)能的效率，必須采取完善的轉(zhuǎn)速控制策略，讓葉尖速比處于合理范圍內(nèi)，采取與之相符的控制方式，全面控制風(fēng)輪的設(shè)計(jì)運(yùn)行速度。當(dāng)機(jī)組容量越大，葉輪直徑越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速就越低。當(dāng)前，應(yīng)當(dāng)做好齒輪增速箱運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)工作，提前預(yù)防故障的發(fā)生，促使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷和狀態(tài)識(shí)別方式

在齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)期間，輪齒載荷變化使振動(dòng)信號(hào)發(fā)生明顯變化。以往傳統(tǒng)的故障診斷方式包括頻譜分析、道譜分析、解調(diào)分析等。

第一，齒輪傳動(dòng)信號(hào)中的二階合頻率分量。對(duì)于載荷作用有著一定的敏感性，基于載荷的增加而逐漸上升，振動(dòng)信號(hào)的有效值和峰值伴隨著載荷的增大而垂直增大。

第二，輪齒載荷在旋轉(zhuǎn)頻率各項(xiàng)階倍頻影響下并不是特別明顯。齒輪嚙合引起的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的振幅將會(huì)受到扭矩負(fù)載變化的影響和變化，決定了時(shí)間同步平均振動(dòng)信號(hào)。結(jié)合變載荷情況下，齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的特征，對(duì)變載荷下齒輪箱故障診斷方式有效研究，利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱振動(dòng)加速度時(shí)間同步平衡信號(hào)。動(dòng)態(tài)性檢驗(yàn)行星齒輪的輪齒斷裂故障，同時(shí)將時(shí)間同步平均信號(hào)內(nèi)頻譜中的鎳和頻率，有效獲取自動(dòng)查詢信號(hào)，對(duì)該項(xiàng)殘余信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波變換后提取的特征量，基于載荷情況下檢驗(yàn)出早期斷齒故障現(xiàn)象。

第三，將統(tǒng)計(jì)距離和相似概率當(dāng)作齒輪破碎的指示量，能夠指示出齒輪的破損程度。機(jī)組工況變化帶來(lái)的信號(hào)總體能量差異產(chǎn)生的影響性非常小，應(yīng)用振動(dòng)信號(hào)的幾項(xiàng)特征信息當(dāng)成齒輪運(yùn)行狀態(tài)的特征向量，將齒輪運(yùn)行狀態(tài)和故障特征清楚體現(xiàn)出來(lái)。為了減少瞬變載荷對(duì)振動(dòng)信號(hào)特征量產(chǎn)生的一系列影響，然后開(kāi)展齒輪箱故障診斷，以此提升準(zhǔn)確性。

本文探討了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪傳動(dòng)信號(hào)建模方式。在分析嚙合剛度計(jì)算方式的基礎(chǔ)上，提升運(yùn)算效率，以縮減計(jì)算時(shí)間為基本的目標(biāo)，探究新的內(nèi)外嚙合剛度方式，比較各項(xiàng)構(gòu)件的振動(dòng)特征。受運(yùn)行條件和安裝位置等多項(xiàng)因素的影響，直接開(kāi)展風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作有著一定的難度，以系統(tǒng)各項(xiàng)固件存在的故障形式為主，探究參數(shù)變化，對(duì)于行星輪系固有特性產(chǎn)生的影響。箱體振動(dòng)加速度信號(hào)有著能夠體現(xiàn)齒輪系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的各項(xiàng)信息，不過(guò)傳遞過(guò)程十分復(fù)雜，因此該項(xiàng)信號(hào)和具體的齒輪傳動(dòng)信號(hào)之間關(guān)系比較繁瑣。

三、風(fēng)電機(jī)組齒輪傳動(dòng)行星輪系動(dòng)態(tài)特征分析

齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要包含多個(gè)方面，分別是固有特性、動(dòng)態(tài)激勵(lì)作用之下系統(tǒng)的響應(yīng)以及動(dòng)力穩(wěn)定性。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，行星輪系是非常重要的一方面，輸入端和風(fēng)輪主軸相互連接，外界隨機(jī)變化風(fēng)載荷對(duì)于輸入轉(zhuǎn)矩有著直接性的影響，但是由于結(jié)構(gòu)的特殊性，動(dòng)態(tài)特征和普通的平行軸齒輪系統(tǒng)相比極為復(fù)雜。精準(zhǔn)地掌握風(fēng)電機(jī)組行星輪系的動(dòng)態(tài)特征，是分析整體齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)特征的一項(xiàng)關(guān)鍵所在。

第一，創(chuàng)建行星齒輪系統(tǒng)等效分析模型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的行星輪系運(yùn)行于低速狀態(tài)下，輪系中各項(xiàng)中心構(gòu)件質(zhì)量較大，因此可能出現(xiàn)契合現(xiàn)象，對(duì)行星輪系載的平衡特征產(chǎn)生了一定的影響。同時(shí)，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，安裝位置和結(jié)構(gòu)尺寸差數(shù)有著一定的特殊性，對(duì)風(fēng)電機(jī)組中的行星輪系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究面臨的難度極高。這就需要?jiǎng)?chuàng)建和系統(tǒng)相一致的等效模型，為優(yōu)化設(shè)計(jì)以及分析傳動(dòng)系統(tǒng)提供保障。行星輪系的固有頻率和陣型作為固有特征中不可缺少的一方面，也是系統(tǒng)的基本動(dòng)態(tài)特征之一，結(jié)合行星齒輪系統(tǒng)的固有特征，對(duì)確定系統(tǒng)在外載荷作用之下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和振動(dòng)模式有著極高的作用。

第二，在行星齒輪系統(tǒng)中，行星架和太陽(yáng)輪是輸入和輸出的基本構(gòu)件，行星架的質(zhì)量是其他運(yùn)動(dòng)構(gòu)件質(zhì)量的數(shù)倍，振動(dòng)水平直接影響整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)情況?；趦煞N中心構(gòu)件的振動(dòng)模式下，行星架振動(dòng)位移幅值和太陽(yáng)輪振動(dòng)位移幅值比。伴隨著固有頻率接觸的增大，總體上呈現(xiàn)下降現(xiàn)象，這說(shuō)明在低階陣型中太陽(yáng)輪和行星架的振動(dòng)水平一致，行星架的振動(dòng)對(duì)整體振動(dòng)水平的影響完全不低于太陽(yáng)輪。

第三，系統(tǒng)參數(shù)對(duì)行星輪系固有特征的影響。隨機(jī)載荷、支撐條件和環(huán)境振動(dòng)等各項(xiàng)因素對(duì)于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱具體工作有著直接性的影響。基于運(yùn)行時(shí)間的延伸，某些組件完全脫離了理想的工作狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)發(fā)生了改變。清楚了解各項(xiàng)參數(shù)變化對(duì)于系統(tǒng)固有特征產(chǎn)生的影響，可以為系統(tǒng)運(yùn)行情況提供一定的參考。不過(guò)，從理論方面來(lái)看，利用解析的方式對(duì)該項(xiàng)問(wèn)題加以分析有一定的難度。一是齒圈安裝松動(dòng)。內(nèi)齒圈是固定的構(gòu)件直接被安裝在基座上，鏡像和切向支承剛度較大，在齒圈發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象以后，切向的支承剛度逐漸減小，齒圈切向剛度的減小對(duì)低階中心構(gòu)件扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式有著直接性的影響。二是行星架是齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出構(gòu)件，主要經(jīng)過(guò)聯(lián)軸節(jié)和主軸相互連接，負(fù)責(zé)傳遞作用在風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩。行星架徑向剛度對(duì)于系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式以及行星輪振動(dòng)模式?jīng)]有影響。行星架支撐高度變化之前和變化以后，各階平移振動(dòng)模式的中心構(gòu)件振型幅值基本上是相同的。三是安裝太陽(yáng)輪浮動(dòng)。對(duì)于行星齒輪系統(tǒng)，在重載工況下運(yùn)行過(guò)程中，為了對(duì)均載特性有效改善，可以把太陽(yáng)當(dāng)成基本的浮動(dòng)構(gòu)件。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輪浮動(dòng)包含諸多方式，不過(guò)在動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程中，具體結(jié)構(gòu)形式并不是考慮的要點(diǎn)。由于安裝方式不同，能夠使太陽(yáng)輪的徑向支承剛度發(fā)生改變，與行星架支撐高度變化引起的系統(tǒng)固有頻率變化規(guī)律相一致。太陽(yáng)輪浮動(dòng)安裝對(duì)各階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及行星輪振動(dòng)模式?jīng)]有影響。

第四，系統(tǒng)中嚙合剛度對(duì)行星輪系固有特征的影響。在行星輪系集中參數(shù)模型中，輪齒之間的嚙合剛度為時(shí)間的函數(shù)。在探究支撐高度變化對(duì)系統(tǒng)固有特征影響時(shí)，主要是以等效的內(nèi)外葉和剛度為主，從雙齒和單齒嚙合區(qū)域內(nèi)外嚙合剛度有著明顯的變化。行星齒輪系統(tǒng)外嚙合之間存在一定的相位差，因此在太陽(yáng)輪和齒圈不為行星輪個(gè)數(shù)的整數(shù)倍時(shí)，各項(xiàng)齒輪之間的嚙合狀態(tài)變化程度難以保持一致性，這在一定程度上增加了系統(tǒng)固有特征的復(fù)雜程度。如果太陽(yáng)輪和各項(xiàng)行星輪之間的嚙合剛度產(chǎn)生相同變化以后，行星輪系的振動(dòng)模式不發(fā)生變化，只有各項(xiàng)振動(dòng)模式所對(duì)應(yīng)的固有頻率發(fā)生改變，鎳和鋼的均勻變化對(duì)三種振動(dòng)模式的高階固有頻率影響程度特別大。然而，高階固有頻率與行星輪系工作頻率有著一定的距離，結(jié)合模態(tài)疊加的基本原理對(duì)系統(tǒng)實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)貢獻(xiàn)較少。在各項(xiàng)星輪和太陽(yáng)輪或者此圈內(nèi)和剛度不完全相等的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的對(duì)稱性受到破壞，與各行星輪支承高度不完全相等的情況相似。

第五，對(duì)輪次的嚙合力精準(zhǔn)計(jì)算，是分析系統(tǒng)動(dòng)載和可靠性振動(dòng)等問(wèn)題的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。輪齒嚙合力和箱體中測(cè)取的振動(dòng)加速度信號(hào)有著密切的聯(lián)系性，精準(zhǔn)地掌握嚙合力的變化形式和影響因素，是行星輪系動(dòng)態(tài)特征分析的組成部分，按照行星輪系的結(jié)構(gòu)特征，嚙合力處于理想狀態(tài)下均勻配置。在分析嚙合力期間，動(dòng)態(tài)載荷分配系數(shù)是反映出該項(xiàng)均載特征的基本指標(biāo)。在穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速下，中心構(gòu)件和各行星輪之間的載荷分配系數(shù)。如果系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)固件沒(méi)有出現(xiàn)誤差，處于良好的擬合狀態(tài)，載荷分配系數(shù)的值呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng)各齒輪的載荷分配沒(méi)有明顯的不均勻性，在輪齒嚙入嚙出時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的黏合沖擊力，增加了載荷分配系數(shù)。比較嚙合剛度可以了解輪齒嚙入對(duì)載荷分配系數(shù)有著直接性的影響。在與相位完全相同的情況下，各項(xiàng)行星輪的嚙合狀態(tài)一致。載荷分配系數(shù)保持相同的變化規(guī)律，而且齒輪嚙入、嚙出直接影響了載荷分配系數(shù)，處于相同的周期內(nèi)，計(jì)算不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的行星輪系?，F(xiàn)階段，為了確保風(fēng)輪夜間數(shù)比處于相應(yīng)風(fēng)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，提升風(fēng)能的利用率，大部分大型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于不同轉(zhuǎn)速下?；陲L(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增大行星輪系的均載特性處于惡化狀態(tài)，容易導(dǎo)致輪齒損傷。

四、風(fēng)電機(jī)組多級(jí)齒輪系統(tǒng)的故障動(dòng)力學(xué)特征分析

齒輪的制造和安裝誤差、齒面剝落、裂紋等多項(xiàng)故障有著密切聯(lián)系。這是引起齒輪振動(dòng)的主要來(lái)源，故障齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜表現(xiàn)為以嚙合頻率和各次斜坡為中心的邊頻帶群，動(dòng)態(tài)性識(shí)別不同的邊頻帶是齒輪故障診斷的要點(diǎn)。

（一）齒輪箱故障實(shí)驗(yàn)

在齒面磨損的情況下，加速度信號(hào)的時(shí)域曲線與方波相接近，頻譜重合頻率高，次諧波的幅值明顯增大，接觸越高，諧波增大的幅度越高。在主動(dòng)輪軸彎曲變形的情況下，時(shí)域波形呈現(xiàn)出齒輪和頻率和諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻以及倍頻是調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，在頻譜中嚙合頻率以及倍頻附近形成幅值較小而且稀疏的邊頻帶。

（二）齒輪偏心和齒輪嚙合誤差模型

1.行星輪系的綜合嚙合誤差

輪齒的嚙合誤差是由齒輪加工和安裝誤差造成的，屬于齒輪嚙合中的動(dòng)態(tài)激勵(lì)與齒輪傳動(dòng)準(zhǔn)確性，相對(duì)應(yīng)齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了三項(xiàng)精度硬件指標(biāo)。其中，包含齒距的偏差、螺旋線總偏差等，精度標(biāo)準(zhǔn)中確定的指標(biāo)主要是為了對(duì)齒輪的加工質(zhì)量有效控制，同時(shí)提升測(cè)量的精準(zhǔn)性。齒輪的加工誤差是齒廓表面與理想齒廓位置相偏離形成的。在動(dòng)力學(xué)研究過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)考慮由加工誤差引入的動(dòng)態(tài)激勵(lì)時(shí)，為了保持分析的普遍性，一般會(huì)繞開(kāi)具體的精度誤差，直接將實(shí)際的齒廓表面對(duì)理想齒廓表面的偏移當(dāng)成輪齒的嚙合誤差。該項(xiàng)誤差也可以當(dāng)成是在完整輪廓沿著嚙合線偏移的基礎(chǔ)上疊加了齒廓自身的偏差。因此，將輪齒的嚙合誤差劃分為面形誤差和齒距誤差。兩個(gè)互相嚙合齒輪的嚙合誤差曲線是單齒和誤差曲線疊加以后的包絡(luò)線。

2.分析形輪系中各項(xiàng)構(gòu)件的偏心誤差

加工設(shè)備自身有著一定的精度，受到加工條件和安裝誤差等一系列因素的影響，使齒輪具體的回轉(zhuǎn)中心與幾何中心相偏離，從而增加了齒輪偏心誤差概率。從本質(zhì)上來(lái)看，偏心誤差是一種齒形誤差，使齒輪嚙合時(shí)具體的嚙合齒廓與理想嚙合齒廓相偏離。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮兩項(xiàng)誤差從動(dòng)力學(xué)模型中的基本表達(dá)方式，兩項(xiàng)誤差對(duì)系統(tǒng)的作用處于獨(dú)立性狀態(tài)，偏心誤差的存在對(duì)嚙合剛度產(chǎn)生一定的調(diào)制作用。

（三）分析制造和安裝誤差影響之下的嚙合力

內(nèi)外激勵(lì)向量決定了齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)微分方程組的特解，系統(tǒng)的嚙合誤差、安裝偏差、支撐高度和行星輪的安裝位置等多項(xiàng)參數(shù)決定了內(nèi)激勵(lì)向量的形式和數(shù)值大小、外激勵(lì)向量和系統(tǒng)輸入以及輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)。對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷的基礎(chǔ)以及關(guān)鍵在于明確特征量，了解到特征量跟隨系統(tǒng)中各項(xiàng)物理參數(shù)變化的基本規(guī)律。

（四）行星架轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)齒輪箱體振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的影響

對(duì)于行星輪系傳動(dòng)，箱體振動(dòng)信號(hào)體現(xiàn)行星架的振動(dòng)情況，普遍受到行星架轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。這是行星輪系和定軸輪系輪箱體振動(dòng)信號(hào)的基本區(qū)別。箱體振動(dòng)信號(hào)是各項(xiàng)振源的振動(dòng)，通過(guò)軸承等支撐構(gòu)件的傳遞形成，傳遞過(guò)程對(duì)信號(hào)時(shí)頻域有直接性的影響。

第一，風(fēng)電齒輪箱中行星輪系的內(nèi)齒圈和齒輪箱體固定在一起，作為固定的構(gòu)件。齒輪傳動(dòng)信號(hào)的測(cè)量和軸承座以及箱體相比，直接從內(nèi)齒圈外端安裝加速度傳感器，縮減振動(dòng)信號(hào)傳遞的距離，避免信號(hào)衰減產(chǎn)生不良的影響，將反映齒輪的振動(dòng)情況清楚地體現(xiàn)。

第二，對(duì)行星輪個(gè)數(shù)和齒輪齒數(shù)對(duì)箱體振動(dòng)加速度的影響情況分析。當(dāng)行星架存在制造誤差的情況下，行星輪的安裝位置也會(huì)發(fā)生偏差，該項(xiàng)誤差直接影響了輪系的轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)性以及造成水平，同時(shí)決定了均載性能。

五、結(jié)語(yǔ)

基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組新增裝機(jī)容量的增長(zhǎng)，其安裝位置極為特殊，運(yùn)行工況十分復(fù)雜，因此在傳動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵構(gòu)件故障出現(xiàn)的概率較高，影響了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的體現(xiàn)。這就需要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)控關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)，精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)故障隱患，全面清除。

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作者簡(jiǎn)介：張二輝（1983），男，河北省蠡縣人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電行業(yè)運(yùn)營(yíng)管理。