風電齒輪傳動系統(tǒng)動力研究

范樹欣 孫文文

摘 要：隨著我國社會經(jīng)濟快速增長，我國對能源的需求量越來越大。為了解決環(huán)境和發(fā)展之間矛盾，我國在近些年大力發(fā)展風力能源，以此保護我國的環(huán)境。風電齒輪傳動系統(tǒng)在風力發(fā)電機組中具有重要作用。風電齒輪是整個機組中最為重要也是最為脆弱的部件，合格的風電齒輪能夠保證機組正常運行。該文主要研究了風電齒輪傳統(tǒng)系統(tǒng)以及關(guān)于風電齒輪故障的相關(guān)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：風電齒輪 傳動系統(tǒng) 動力 動態(tài)特性 故障檢驗

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0043-01

隨著社會經(jīng)濟快速增長，我國對能源的需求量越來越大。為了解決環(huán)境和發(fā)展之間矛盾，我國在近些年大力發(fā)展風力能源，以此保護我國的環(huán)境。但是在發(fā)展的過程中出現(xiàn)了較多的問題，影響風電機組正常運行的主要因素是風電齒輪的傳動系統(tǒng)，要提高風力發(fā)電的整體效率，就要保證風電齒輪的傳動系統(tǒng)能夠正常運行。

1 風電齒輪傳統(tǒng)系統(tǒng)

1.1 風電齒輪傳動系統(tǒng)簡介

在風力發(fā)電機組中風電齒輪的轉(zhuǎn)速較低，這還達不到發(fā)電機發(fā)電的轉(zhuǎn)速要求。這就需要風電機組的傳動系統(tǒng)來提高轉(zhuǎn)速，以此實現(xiàn)發(fā)電的功能。那么風電齒輪傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)又是什么樣的呢？如圖1所示。

上圖為風電齒輪傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖，圖中從左到右的齒輪結(jié)構(gòu)依次為行星輪級、中速齒輪級和高速齒輪級，每一級的級速比為1：3到1：5之間。該類型的風電齒輪傳動系統(tǒng)在標準條件下的機械效率為百分之97，噪聲標準可控制在85db（A）左右，使用壽命可達20年左右。從圖中我們不難發(fā)現(xiàn)，行星齒輪的排列形式地優(yōu)化，這樣就可以減輕機組在運行時的載荷，從根本上減少了每個齒輪級之間的載荷。齒輪不再承受大量的載荷，就可以縮減齒輪的體積和質(zhì)量，這就可以提升齒輪傳動系統(tǒng)的工作效率。這種結(jié)構(gòu)的齒輪雖然提高了齒輪傳動系統(tǒng)的工作效率，但是使用行星輪會使得整個傳動系統(tǒng)和齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，在后期維護中會出現(xiàn)更多問題。

為了進一步簡化齒輪傳動系統(tǒng)，提高傳動效率。在齒輪的傳動鏈上，減少了輸入級的用料，這就是為什么齒輪的輸入級常常采用的是行星輪級的結(jié)構(gòu)，而齒輪的輸出級采用平行傳動的結(jié)構(gòu)。除此之外，在整個傳動系統(tǒng)中為讓整個齒輪的傳動系統(tǒng)保持穩(wěn)定并集中在整個齒輪的機箱內(nèi)，齒輪傳動系統(tǒng)的固定方式經(jīng)常采用內(nèi)齒圈固定的方式。

1.2 風電齒輪傳動系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)學(xué)方程

在研究風電齒輪傳動系統(tǒng)動力時，我們可以引用數(shù)學(xué)模型對傳動系統(tǒng)的動力進行研究。在研究風電齒輪傳動系統(tǒng)時，主要使用的數(shù)學(xué)模型有三種：（1）是傳遞矩陣法；（2）是集中參數(shù)法；（3）是有限元法。

集中參數(shù)法是利用數(shù)學(xué)中的線性方程或者非線性方程來建立齒輪的動態(tài)模型。利用該種模型可以使抽象畫的齒輪傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程更加容易理解。上文曾提到風電齒輪傳動系統(tǒng)是多級、多齒輪傳動系統(tǒng)，其運行結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。這時我們就可以使用集中參數(shù)法建立于傳動系統(tǒng)等價的動力模型，將多級、多齒輪的傳動系統(tǒng)簡化為離散空間數(shù)學(xué)模型。

齒輪傳動系統(tǒng)在運行時還會產(chǎn)生振動，一般振動形式分為徑向振動、圓周方向振動、和軸向振動。鑒于風電齒輪的傳動系統(tǒng)的運動過程十分復(fù)雜，在建立模型時要考慮到三個方向的振動，則建立的振動模型將會變的更為復(fù)雜，振動模型的自由度則會大大增加。經(jīng)分析，我們不難發(fā)現(xiàn)齒輪傳動系統(tǒng)的振動方式主要為圓周方向振動，也稱為扭轉(zhuǎn)振動。在建立系統(tǒng)模型時，就可以建立扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)為齒輪傳動系統(tǒng)的模型，以此進行深入研究。

2 風電齒輪傳動系統(tǒng)故障相關(guān)內(nèi)容

2.1 風電齒輪傳動系統(tǒng)常見故障

一般來講，齒輪傳動系統(tǒng)的具體故障可以分為：齒輪的軸承損壞、齒輪傳動系統(tǒng)的斷齒點磨損、傳動系統(tǒng)斷軸等等。齒輪傳動系統(tǒng)損壞是造成發(fā)電機組不能正常運行的主要原因。造成齒輪損壞的主要原因又有：局部斷齒、齒輪傳動系統(tǒng)磨損、齒輪輪點腐蝕、齒輪膠合問題、齒根磨損嚴重。

2.2 風電齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷算法

當風電齒輪出現(xiàn)故障的時候，就要及時對故障問題進行診斷，以此判斷出風電齒輪傳動系統(tǒng)的具體故障是什么。現(xiàn)階段使用的故障診斷方法成功率較低，而且不能確定故障的具體原因。該文主要介紹了一種新的診斷方法-BP網(wǎng)絡(luò)智能診斷方法。

該種網(wǎng)絡(luò)最早是在1986年提出的，也是目前使用最為廣泛的診斷網(wǎng)絡(luò)之一，BP網(wǎng)絡(luò)利用了誤差逆?zhèn)鞑シ椒ㄟM行診斷。同時該網(wǎng)絡(luò)具有良好的非線性映射功能，只要通過相關(guān)設(shè)計就可以輸出數(shù)據(jù)樣本，得到非線性映射的數(shù)據(jù)。除此之外，一旦輸入的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大的誤差或者出現(xiàn)了錯誤數(shù)據(jù)時，該診斷網(wǎng)絡(luò)還會自行進行判斷，保證輸出的數(shù)據(jù)滿足基本規(guī)律。

該網(wǎng)絡(luò)在進行工作時的具體方法又是什么呢？BP網(wǎng)絡(luò)在運行時，通常使用BP算法，該算法的主要操作步驟為：（1）是系統(tǒng)根據(jù)輸入、輸出的數(shù)據(jù)，自行構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；（2）是網(wǎng)絡(luò)會進行數(shù)據(jù)初始化工作，并自行選取閾值和相關(guān)函數(shù)；（3）是輸入數(shù)據(jù)樣本并進行計算；（4）是網(wǎng)絡(luò)會自行計算每層中的錯誤信號；（5）是網(wǎng)絡(luò)在完成相關(guān)數(shù)據(jù)計算之后，會進行相關(guān)數(shù)據(jù)檢查；（6）是系統(tǒng)會根據(jù)匯總的數(shù)據(jù)計算各層數(shù)據(jù)之間的誤差，并得到相關(guān)的數(shù)據(jù)修正值；（7）是網(wǎng)絡(luò)會按照修正值的數(shù)據(jù)進行重新計算，直到滿足相關(guān)要求時就停止算法。

3 結(jié)語

總而言之，隨著風力發(fā)電機組的功率越來越大，這對風電齒輪的傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更大的要求。我國對于風電齒輪傳動系統(tǒng)研究上還存在很大問題，加之風電齒輪工作的環(huán)境較為苛刻，風力發(fā)電機組在實際運行過程中還需要解決很多問題。面對這些問題，我國研究部門更不應(yīng)該急躁冒進，應(yīng)該腳踏實地的處理好每個細節(jié)問題，這樣才有利于我國更好使用新能源，處理好環(huán)境和資源之間的問題。

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