風(fēng)力發(fā)電機組齒輪故障特征分析與應(yīng)用

孫昊

（大唐昌裕（北京）新能源有限公司,北京 100000）

1 引言

近年來，由于資源短缺和環(huán)境惡化，可再生能源和清潔能源的開發(fā)和利用廣受重視。風(fēng)力發(fā)電已成為快速發(fā)展的可再生能源。隨著需求的增加以及技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，加上風(fēng)力發(fā)電機組所處的工作環(huán)境較為惡劣，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組存在故障率高、故障發(fā)現(xiàn)晚、故障維護難等問題。因此，在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的同時，積極開展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究有著重大的意義。設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測以及故障診斷可以掌握設(shè)備在使用過程中的狀態(tài)，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因并能預(yù)報故障發(fā)展趨勢，有效地解決了風(fēng)力發(fā)電機組維護難的問題。隨著狀態(tài)監(jiān)測需求的不斷增大，近幾年，風(fēng)力發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷有著快速的發(fā)展。

2 風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱結(jié)構(gòu)概述

雙饋機組是目前應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)力發(fā)電機組。與傳統(tǒng)的直驅(qū)機組相比，雙饋機組增加了齒輪箱來幫助機組提高運作效率。作為一種精密的傳動部件，齒輪箱有著較高的故障率。

目前風(fēng)力發(fā)電機組的齒輪箱中，主要存在三類齒輪嚙合結(jié)構(gòu)：行星嚙合、平行嚙合、復(fù)合行星嚙合。經(jīng)過三類齒輪嚙合結(jié)構(gòu)的組合，目前市面上較常出現(xiàn)的齒輪箱種類主要包括：一級行星二級平行齒輪箱、二級行星一級平行齒輪箱、三級平行齒輪箱。行星嚙合結(jié)構(gòu)指的是行星輪、太陽輪、內(nèi)齒圈之間的嚙合結(jié)構(gòu)，3個行星輪安裝在行星架上，行星架轉(zhuǎn)動帶動行星輪轉(zhuǎn)動，從而帶動太陽輪轉(zhuǎn)動，3個行星輪除了圍著太陽輪公轉(zhuǎn)之外，還存在自轉(zhuǎn)，內(nèi)齒圈不轉(zhuǎn)動。

2.1 一級行星二級平行

一級行星二級平行齒輪箱，由1組行星嚙合以及2組平行嚙合組成。行星嚙合包括3個一級行星輪、1個一級內(nèi)齒圈、1個一級太陽輪。平行嚙合結(jié)構(gòu)，包括低速軸齒輪、中間軸小齒輪、中間軸大齒輪以及高速軸齒輪。

2.2 二級行星一級平行

二級行星一級平行齒輪箱，由2組行星嚙合以及1組平行嚙合組成。兩個行星嚙合結(jié)構(gòu)分別包含：3個行星輪、1個內(nèi)齒圈、1個太陽輪。平行嚙合結(jié)構(gòu)由低速軸齒輪以及高速軸齒輪組成。

2.3 三級平行

三級平行齒輪箱，由1組復(fù)合行星嚙合齒輪結(jié)構(gòu)以及1組平行嚙合齒輪組成。

1組復(fù)合行星嚙合相當于2組行星嚙合，但是齒輪部件有所區(qū)別，包括1個一級內(nèi)齒圈、3個小行星輪、3個大行星輪、1個二級太陽輪。一級內(nèi)齒圈為動力輸入源。平行嚙合結(jié)構(gòu)則包括低速軸齒輪以及高速軸齒輪。

3 風(fēng)力發(fā)電機組齒輪的故障機理與特征

按照齒輪的故障表現(xiàn)形式，可以將齒輪故障劃分為兩類：分布式故障以及局部故障。其中分布式故障主要是指齒面磨損，但是此類損傷目前對于用戶來說，尚不屬于需要緊急處理的故障；局部故障則包括：斷齒、齒根斷裂、齒面剝落等，相對于分布式故障來說，齒輪的局部故障更加被用戶關(guān)心，需要及時發(fā)現(xiàn)并處理。

目前對齒輪故障比較有效的預(yù)測性監(jiān)測手段，是通過振動信號的頻譜結(jié)構(gòu)以及時域波形的形態(tài)進行特征提取與分析來對齒輪故障進行診斷。在進行具體的齒輪故障振動信號特征分析之前，先對齒輪的相關(guān)特征基礎(chǔ)知識進行簡單介紹。

3.1 嚙合頻率

存在嚙合關(guān)系的齒輪，就存在嚙合頻率。對于平行嚙合（即齒輪的中心軸無移動），假設(shè)輸入、輸出齒輪的齒數(shù)以及轉(zhuǎn)頻分別為：以及，則嚙合頻率 GM=f1·Z1=f2·Z2。

對于行星嚙合來說，因為行星輪的中心軸存在移動，嚙合頻率的求取會復(fù)雜一些。假設(shè)行星輪齒數(shù)為，內(nèi)齒圈齒數(shù)為，太陽輪齒數(shù)為，行星輪轉(zhuǎn)頻為，太陽輪轉(zhuǎn)頻為，行星架轉(zhuǎn)頻為。則有：。嚙合頻率

3.2 齒輪缺陷頻率

齒輪缺陷頻率指的是在齒輪存在損傷時，振動信號中表現(xiàn)出來的與該齒輪相關(guān)聯(lián)的特征頻率。對于平行嚙合來說，齒輪缺陷頻率即為齒輪轉(zhuǎn)頻。而對于行星嚙合齒輪來說，齒輪缺陷頻率還需要考慮齒輪間的配合關(guān)系。

3.3 邊帶

邊帶指的是在利用振動信號進行故障設(shè)備分析時，在頻譜中出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，即在頻譜中以某個頻率值為中心，左右兩邊距離中心頻率等頻率值的位置存在高值點。

下面對齒輪振動信號的頻譜與時域波形特征進行系統(tǒng)性介紹。

（1）正常齒輪的振動信號特征。理想狀態(tài)下的正常齒輪，在嚙合過程中是一種平緩順暢的傳遞關(guān)系，不會產(chǎn)生劇烈的沖擊，因此時域波形比較均勻。但是由于嚙合關(guān)系的存在，因此頻譜中依然會存在嚙合頻率，嚙合頻率會存在少量諧波，偶爾攜帶少量低能量的齒輪轉(zhuǎn)頻邊帶。

（2）局部性缺陷齒輪的振動信號特征。局部性缺陷，主要是指齒輪斷齒、裂紋或者大面積剝落，這類故障齒輪在相互嚙合時，缺陷部位接觸時會產(chǎn)生沖擊，在時域波形上則表現(xiàn)為規(guī)律的脈沖特征。頻譜上也會相應(yīng)地呈現(xiàn)故障齒輪轉(zhuǎn)頻相關(guān)特征：故障齒輪轉(zhuǎn)頻的諧波、嚙合頻率諧波、嚙合頻率攜帶的故障齒輪轉(zhuǎn)頻邊帶，邊帶表現(xiàn)為能量高，數(shù)量較多的特征。此外，存在局部缺陷的齒輪在嚙合時，產(chǎn)生很大的激振力易激發(fā)齒輪的固有頻率，因此理論上，頻譜上還偶爾可能會形成以齒輪的固有頻率為中心頻率，故障齒輪轉(zhuǎn)頻為邊帶的特征。

圖1 局部性缺陷齒輪的理論頻譜結(jié)構(gòu)

（3）分布性缺陷齒輪的振動信號特征。分布性缺陷，指的是缺陷在齒輪上的分布比較均勻、分布面積較大，最常見的就是齒面磨損。當齒輪存在此類故障時，短期內(nèi)不會對設(shè)備運行造成大的影響，但是隨著磨損的加重，最終可能會導(dǎo)致齒輪嚙合完全失效。從振動信號上來看，由于無顯著性的局部損傷，因此不會產(chǎn)生顯著的波形沖擊特征，波形基本與正常齒輪一樣，但是頻譜上存在與故障齒輪相關(guān)的特征。主要是故障齒輪轉(zhuǎn)頻的諧波、嚙合頻率諧波、嚙合頻率攜帶的故障齒輪轉(zhuǎn)頻邊帶，邊帶主要表現(xiàn)為能量低、數(shù)量多。在實際情況中，存在磨損故障的齒輪，長期使用后，有可能轉(zhuǎn)換成大面積的點蝕甚至剝落，當出現(xiàn)故障性質(zhì)的轉(zhuǎn)化后，頻譜形態(tài)也會隨著發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為故障齒輪轉(zhuǎn)頻邊帶能量的上升。此時，需要及時提醒用戶進行故障排查（圖2）。

圖2 均布性缺陷齒輪的理論頻譜結(jié)構(gòu)

4 案例分析

為證明上述齒輪故障特征在實際風(fēng)力發(fā)電機組齒輪故障診斷上的有效應(yīng)用，且為了保證案例展示的豐富性，下面將提供3組案例數(shù)據(jù)的分析過程，分別是高速級齒輪分布性缺陷、高速級齒輪局部性缺陷以及低速級齒輪局部性缺陷。低速級齒輪一般指的是齒輪箱的行星輪結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)齒圈、行星輪以及太陽輪。

4.1 高速級齒輪分布性故障案例

該案例是某風(fēng)場的一臺二級行星一級平行結(jié)構(gòu)齒輪箱，高速軸齒輪齒面上存在均布性磨損。選取發(fā)電機轉(zhuǎn)速為30Hz的故障數(shù)據(jù)進行分析，即高速軸齒輪轉(zhuǎn)頻為30Hz。該齒輪箱高速軸齒輪齒數(shù)以及低速軸齒輪齒數(shù)分別為：27和102。根據(jù)嚙合頻率的求取公式，可以求得三級平行嚙合頻率為810Hz，低速軸轉(zhuǎn)頻為7．9Hz。

從圖3可以看出，雖然齒輪存在磨損故障，但是時域波形表現(xiàn)得很均勻，無顯著沖擊特征。頻譜背景噪聲能量稍高，存在高速軸齒輪轉(zhuǎn)頻諧波，其中2倍平行嚙合頻率攜帶比較豐富的故障齒輪轉(zhuǎn)頻邊帶。邊帶呈現(xiàn)數(shù)量多、能量低的分布特征。由于一般的磨損故障現(xiàn)場不會檢修，上面的案例驗證圖片為現(xiàn)場進行內(nèi)窺鏡檢查獲取的資料圖片，可以看到標注的齒面位置存在磨損的紋理，其他正常齒面則較光滑。

圖3 高速軸齒輪磨損故障特征圖

4.2 高速級齒輪局部性故障案例

該案例與上個案例為同一型號機型，各項參數(shù)均一樣。高速軸齒輪某個齒面存在斷齒，屬于嚴重的局部性缺陷。同樣也選取發(fā)電機轉(zhuǎn)速為30Hz時的故障數(shù)據(jù)進行分析（圖4）。

圖4 高速軸齒輪斷齒故障特征圖片

可以看到，時域波形呈現(xiàn)顯著的周期性沖擊，沖擊間隔為高速軸齒輪轉(zhuǎn)頻對應(yīng)的時間長度。頻譜則為典型的局部性缺陷頻譜結(jié)構(gòu)，存在豐富的高速軸齒輪轉(zhuǎn)頻諧波，三級平行嚙合頻率及其諧波都攜帶了大量的高速軸齒輪轉(zhuǎn)頻邊帶，邊帶能量較高。結(jié)合上述波形沖擊特征以及頻譜的諧波以及邊帶特征，可以判斷該齒輪箱高速軸齒輪存在顯著的局部性缺陷。結(jié)合現(xiàn)場反饋回來的檢修照片可知，診斷結(jié)論完全正確。

4.3 低速級齒輪局部性故障案例

該案例是某風(fēng)場的一臺一級行星二級平行結(jié)構(gòu)齒輪箱，行星輪某個齒面上出現(xiàn)大面積剝落，屬于較嚴重的局部性缺陷。選取故障數(shù)據(jù)中發(fā)電機轉(zhuǎn)頻為20Hz的一條進行分析，則該齒輪箱的相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)如表1。

表1

通過上述基礎(chǔ)參數(shù)，可求得下列相關(guān)特征頻率（表2）。

我們對選取的該條振動數(shù)據(jù)進行了頻譜、波形求取。因為該故障為低速級故障，故障頻率數(shù)量級小，若要清晰的識別出來，要求數(shù)據(jù)具備較高的分辨率，因此選取了一條加速度信號的長波形進行分析與特征展示（圖5）。

表2

圖5 行星輪剝落故障特征圖片

可以看到行星輪故障時的加速度波形呈現(xiàn)規(guī)律的沖擊特征，且相鄰沖擊間隔等于或者近似等于行星輪旋轉(zhuǎn)一圈需要的時間。相應(yīng)地，在加速度頻譜中，則表現(xiàn)出了比較標準的齒輪損傷的頻率結(jié)構(gòu)，主要由行星輪轉(zhuǎn)頻豐富的諧波、行星嚙合頻率的諧波、行星輪嚙合頻率攜帶的行星輪轉(zhuǎn)頻邊帶群組成。

通過上述特征可以比較確定的判斷，該齒輪箱的行星輪存在比較顯著的局部性缺陷。

5 結(jié)語

本文主要從齒輪損傷信號特征的研究角度出發(fā)，分別結(jié)合齒輪箱結(jié)構(gòu)、齒輪特征頻率計算、齒輪故障類型、齒輪特征含義以及表現(xiàn)等相關(guān)內(nèi)容，說明并展示了齒輪各類故障對應(yīng)的振動信號特征。

本文還提供了3個具體的齒輪損傷案例的分析過程，證明在實際診斷應(yīng)用過程中，本文提出的齒輪故障振動信號的診斷理論具備一定的實用性。