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      風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪箱振動(dòng)的影響規(guī)律研究

      2016-02-13 07:54:53王天品孔德同劉慶超
      綜合智慧能源 2016年12期
      關(guān)鍵詞:齒輪箱風(fēng)電壽命

      王天品,孔德同,劉慶超

      (1.華電福新能源股份有限公司云南分公司,昆明 650228;2.華電電力科學(xué)研究院,杭州 310030)

      風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪箱振動(dòng)的影響規(guī)律研究

      王天品1,孔德同2,劉慶超2

      (1.華電福新能源股份有限公司云南分公司,昆明 650228;2.華電電力科學(xué)研究院,杭州 310030)

      齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組的主要傳動(dòng)裝置,齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)保障風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要。風(fēng)電機(jī)組受風(fēng)速波動(dòng)影響較大,其轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變動(dòng),增加了齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)的難度。通過(guò)分析某風(fēng)電場(chǎng)兩臺(tái)運(yùn)行機(jī)組齒輪箱的振動(dòng)信號(hào),揭示了齒輪箱振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系,提出將任意轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信號(hào)有效值轉(zhuǎn)化到額定轉(zhuǎn)速下的措施,有效降低了轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響,提高了監(jiān)測(cè)指標(biāo)的趨勢(shì)性,可為齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供有效的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

      風(fēng)電機(jī)組;齒輪箱;狀態(tài)監(jiān)測(cè);振動(dòng)信號(hào);轉(zhuǎn)速

      0 引言

      近年來(lái),風(fēng)力發(fā)電以其經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)勢(shì)在世界各國(guó)得到迅速發(fā)展[1],然而調(diào)查發(fā)現(xiàn),風(fēng)電機(jī)組在整個(gè)壽命期內(nèi)的維修成本占其總生產(chǎn)效益的10%~25%[2],其中主傳動(dòng)鏈機(jī)械故障是造成風(fēng)機(jī)停機(jī)的主要原因。齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組主要的傳動(dòng)部件,齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于保障風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要。

      目前,常用的齒輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法大都基于振動(dòng)信號(hào)[3-6],采用一定的處理方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,從信號(hào)時(shí)域和頻譜中尋找能夠反映齒輪故障信息的信號(hào)成分,從而推斷齒輪箱的故障類(lèi)型。但是,采用基于振動(dòng)信號(hào)的方法對(duì)風(fēng)電齒輪箱進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)存在兩個(gè)問(wèn)題:(1)風(fēng)電齒輪箱通常包含行星輪系和定軸輪系,是典型的復(fù)雜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),振動(dòng)信號(hào)成分比定軸齒輪箱更復(fù)雜[7-8];(2)基于振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法往往要求齒輪箱轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定,但是風(fēng)電機(jī)組受風(fēng)速波動(dòng)影響較大,通常在變轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行,使得基于振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法無(wú)計(jì)可施。

      由于以上兩個(gè)問(wèn)題的存在,大大降低了基于振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)的有效性。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè),必須首先分析轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的影響規(guī)律,并設(shè)法消除或降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響,從而可以將振動(dòng)信號(hào)分析成功引入到風(fēng)機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

      本文對(duì)多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,尋找風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的影響規(guī)律。

      1 風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)介紹

      某風(fēng)電場(chǎng)SL1500型號(hào)風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈由葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等組成,其中齒輪箱結(jié)構(gòu)為兩級(jí)行星加一級(jí)定軸,如圖1所示。風(fēng)機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CMS)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分為密集存儲(chǔ)區(qū)和稀疏存儲(chǔ)區(qū)兩部分:密集存儲(chǔ)區(qū)為當(dāng)前時(shí)刻前推大約50 d,該區(qū)數(shù)據(jù)間隔大約為3 h45min;稀疏存儲(chǔ)區(qū)為密集存儲(chǔ)區(qū)前的所有歷史時(shí)期,該區(qū)數(shù)據(jù)間隔大約為1 d。每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣頻率在高轉(zhuǎn)速時(shí)為25600Hz,在低轉(zhuǎn)速時(shí)為2 560Hz,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度統(tǒng)一為102 400,同時(shí)測(cè)量并存儲(chǔ)每組數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)速信息。

      圖1 某風(fēng)電場(chǎng)SL1500風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈

      風(fēng)電場(chǎng)某臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)到齒輪箱故障,選取該風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)期的一組振動(dòng)信號(hào)和故障運(yùn)行時(shí)期的一組振動(dòng)信號(hào),其時(shí)域波形分別如圖2a和圖2b所示??梢钥闯?,齒輪箱正常運(yùn)行期間振動(dòng)信號(hào)幅值較低,當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)故障時(shí),振動(dòng)信號(hào)幅值明顯增大,并且信號(hào)中出現(xiàn)明顯的周期性調(diào)制成分。

      為進(jìn)一步分析齒輪箱振動(dòng)信號(hào)在全壽命期內(nèi)的變化趨勢(shì),提取振動(dòng)信號(hào)的有效值,如圖3所示。由圖3可以看出,有效值在全壽命期內(nèi)呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì),由于風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)波動(dòng),全壽命期內(nèi)的有效值也表現(xiàn)出了很強(qiáng)的波動(dòng)性,這對(duì)于風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和衰退趨勢(shì)分析極其不利,因此,需要深入分析轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響規(guī)律,并設(shè)法消除轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)的影響。

      圖2 振動(dòng)信號(hào)

      圖3 齒輪箱振動(dòng)信號(hào)全壽命期內(nèi)有效值變化趨勢(shì)

      2 相關(guān)性分析

      為分析轉(zhuǎn)速與齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性,采用風(fēng)電場(chǎng)另外兩臺(tái)運(yùn)行機(jī)組的振動(dòng)信號(hào),從中提取振動(dòng)信號(hào)的有效值及相應(yīng)時(shí)刻的轉(zhuǎn)速信號(hào)。兩臺(tái)機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)有效值和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速信號(hào)分別如圖4a,4b和圖5a,5b所示??梢钥闯觯駝?dòng)信號(hào)有效值與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間具有明顯的相關(guān)性,轉(zhuǎn)速較大時(shí)有效值會(huì)相應(yīng)升高,轉(zhuǎn)速較小時(shí)有效值也會(huì)相應(yīng)降低。

      為進(jìn)一步分析有效值與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,繪制振動(dòng)信號(hào)有效值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。兩組機(jī)組的有效值-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線分別如圖4c和圖5c所示。從振動(dòng)信號(hào)有效值-轉(zhuǎn)速曲線可以看出,振動(dòng)信號(hào)有效值與轉(zhuǎn)速之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)系,隨著轉(zhuǎn)速的升高,有效值不斷增大,而且波動(dòng)性也明顯增強(qiáng)。該規(guī)律可以為后續(xù)研究如何消除轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響提供理論依據(jù)。

      3 消除轉(zhuǎn)速影響

      根據(jù)以上分析,采用以下轉(zhuǎn)化公式對(duì)振動(dòng)信號(hào)有效值進(jìn)行處理,降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)有效值的影響。風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速一般為其最大轉(zhuǎn)速,將風(fēng)機(jī)任意轉(zhuǎn)速下有效值轉(zhuǎn)化為額定轉(zhuǎn)速下的有效值當(dāng)量。

      式中:yt為t時(shí)刻振動(dòng)信號(hào)有效值;nr為風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速,該組風(fēng)機(jī)nr=1 800 r/min;nt為t時(shí)刻電機(jī)轉(zhuǎn)速。

      圖4 機(jī)組1相關(guān)性分析

      圖5 機(jī)組2相關(guān)性分析

      采用公式(1)對(duì)圖3中故障機(jī)組全壽命期內(nèi)有效值進(jìn)行轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化后的有效值當(dāng)量結(jié)果如圖6所示。相比于圖3,圖6中有效值當(dāng)量增長(zhǎng)趨勢(shì)更加明顯,局部波動(dòng)有所消除,能夠更好地反映齒輪箱健康狀況的衰退趨勢(shì),為齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供有效的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

      圖6 齒輪箱全壽命期內(nèi)振動(dòng)信號(hào)有效值當(dāng)量變化趨勢(shì)

      4 結(jié)束語(yǔ)

      本文對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行分析,揭示了振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)之間的線性關(guān)系。將任意轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信號(hào)健康指標(biāo)轉(zhuǎn)化到額定轉(zhuǎn)速下,降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響,消除健康指標(biāo)的局部波動(dòng),可以更好地反映齒輪箱健康狀態(tài)的變化。

      筆者將在本文研究工作的基礎(chǔ)上,繼續(xù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱健康狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)和故障的自動(dòng)識(shí)別。

      [1]World Wind Energy Association.The world wind energy association:2014 half-year report[R/OL].http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_half_year_report_2014.pdf.

      [2]LU B,LIY,WU X,et al.A review of recent advances in wind turbine conditionmonitoring and fault diagnosis[C]//Power Electronics and Machines in Wind Applications.2009:1-7.

      [3]張小麗,陳雪峰,李兵,等.機(jī)械重大裝備壽命預(yù)測(cè)綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(11):100-116.

      [4]任玉亭.振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2010,28(2):8-12.

      [5]盛兆順,尹琦嶺.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

      [6]丁康,朱小勇.齒輪及齒輪故障診斷實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

      [7]雷亞國(guó),何正嘉,林京,等.行星齒輪箱故障診斷技術(shù)的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(19):59-67.

      [8]竇慧,原培新.故障診斷中的振動(dòng)信號(hào)處理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1989.

      (本文責(zé)編:劉芳)

      TH 113.21

      B

      1674-1951(2016)12-0067-03

      王天品(1971—),男,云南東川人,高級(jí)工程師,從事新能源安全生產(chǎn)管理工作(E-mail:xjtp51@126.com)。

      2016-06-30;

      2016-10-18

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