風(fēng)機(jī)齒輪箱故障診斷與預(yù)警研究

段慧云 夏志平

摘 ?要：能源是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈所在，一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況與其能源的供應(yīng)量有直接的聯(lián)系，在眾多能源中電能占據(jù)絕對的主導(dǎo)作用。近年來，我國風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，越來越多的風(fēng)電機(jī)組投入到風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行中，且隨著技術(shù)水平的不斷提升，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量和總?cè)萘砍手鹉暝龃蟮内厔?，相關(guān)人員對風(fēng)電設(shè)備的安全性和可靠性也有了更高的要求。但不可避免的是，隨著風(fēng)機(jī)設(shè)備投入時(shí)間的增加，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)逐漸進(jìn)入故障高發(fā)階段，一些故障會(huì)直接影響到風(fēng)機(jī)的使用，進(jìn)而影響到風(fēng)電場的正常運(yùn)行，甚至如果發(fā)生嚴(yán)重故障還可能危及到相關(guān)人員的人身安全。風(fēng)機(jī)齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組中最重要的組成部分，經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷和交變載荷的影響，是風(fēng)電機(jī)組中出現(xiàn)故障情況最多的部件，且一旦風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障會(huì)給相關(guān)部門帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至威脅到工作人員的生命安全，在此背景下，文章對風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的故障診斷和預(yù)警進(jìn)行了研究，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)的完善度提供了一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)齒輪箱;故障;診斷;預(yù)警;研究

中圖分類號：TM315 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）28-0121-02

Abstract： Source of energy is the lifeblood of national economic development. The development of a country's national economy is directly related to its energy supply， and electric energy plays an absolutely dominant role in many energy sources. In recent years， with the rapid development of wind power industry in China， more and more wind turbines are put into wind power generation operation， and with the continuous improvement of technical level， the single unit capacity and total capacity of wind turbines are increasing year by year. The relevant personnel also have higher requirements for the safety and reliability of wind power equipment. But inevitably， with the increase of the input time of the fan equipment， the fan system gradually enters the stage of high incidence of faults， some faults will directly affect the use of the fan， and then affect the normal operation of the wind farm. Even if a serious failure occurs， it may endanger the personal safety of the relevant personnel. The turbine gearbox is the most important part of the wind turbine， which is often affected by the impact load and alternating load， and is the component with the most faults in the wind turbine. Since the failure of the wind turbine will bring huge economic losses to the relevant departments and even threaten the life safety of the staff， in this context， the fault diagnosis and early warning of the gear box of wind turbine are studied in this paper， so as to provide a certain reference for the perfection of wind turbine mechanical design.

Keywords： fan gearbox; fault; diagnosis; early warning; research

1 概述

在國家建設(shè)發(fā)展中，煤、石油和天然氣等化石能源發(fā)揮了巨大的作用，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的生活需求，但這些化石能源在短期內(nèi)不可再生，且燃燒會(huì)對環(huán)境造成較大程度的污染，因此為了更好的實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，中國乃至全世界都在開發(fā)新能源，保護(hù)地球現(xiàn)有環(huán)境上達(dá)成了共識。在新能源中，風(fēng)能是一種典型的可再生、無污染的自然能源，如果能夠充分利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電將會(huì)使電力行業(yè)有突破性的變革，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。眾所周知，運(yùn)用風(fēng)力發(fā)電風(fēng)電機(jī)組是必不可少的機(jī)械設(shè)備，通常來說風(fēng)能在高山、海島以及一些荒野地區(qū)較為豐富，因此風(fēng)電機(jī)組常年在以上惡劣環(huán)境下工作運(yùn)行極易發(fā)生機(jī)械故障，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析風(fēng)電機(jī)組中齒輪箱是最容易發(fā)生故障且一旦發(fā)生故障診斷時(shí)間最長、導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失最大的部件，再加上風(fēng)機(jī)齒輪箱較其他結(jié)構(gòu)而言具有更精細(xì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，因此對風(fēng)機(jī)齒輪箱故障診斷與預(yù)警也有更高的要求。

2 風(fēng)機(jī)齒輪箱故障診斷方法研究

2.1 風(fēng)機(jī)齒輪箱故障診斷的發(fā)展歷史

從國內(nèi)外風(fēng)機(jī)齒輪箱故障診斷歷史上分析，其主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。第一，人工診斷階段。在早期，一切工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障基本都是通過人工診斷方式進(jìn)行的，對于風(fēng)機(jī)齒輪箱故障來說，通常是操作人員通過專用的檢測儀器對齒輪箱的振動(dòng)信號進(jìn)行檢測和記錄，然后根據(jù)自身的操作經(jīng)驗(yàn)對數(shù)據(jù)加以分析判斷，在人工診斷階段，人們采用的分析方法也相對較為單一，且診斷準(zhǔn)確度有限，因此這一時(shí)期的診斷功能具有一定的局限性不易大范圍擴(kuò)散。第二，計(jì)算機(jī)輔助診斷階段。隨著科學(xué)技術(shù)和電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)被越來越多的應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備診斷工作中，一般來說從機(jī)械數(shù)據(jù)的收集到數(shù)據(jù)庫的建立分析，都可以借助電子計(jì)算機(jī)得以完成，甚至一些計(jì)算機(jī)能夠直接診斷出機(jī)械設(shè)備的具體故障，常用的計(jì)算機(jī)診斷算法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷和專家系統(tǒng)診斷等。第三，網(wǎng)絡(luò)化診斷階段。網(wǎng)絡(luò)化診斷是計(jì)算機(jī)故障診斷的發(fā)展和延伸，它比計(jì)算機(jī)診斷更加智能化，能夠更加充分地利用有效的網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)無人化遠(yuǎn)程診斷，網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)的運(yùn)用一方面增強(qiáng)了機(jī)械故障診斷的準(zhǔn)確度和效率，另一方面大大節(jié)省了人力物力，更加方便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理，有助于管理操作人員更全面的掌握控制風(fēng)機(jī)齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 國內(nèi)風(fēng)機(jī)齒輪箱故障診斷方法研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國國內(nèi)風(fēng)機(jī)齒輪箱故障診斷方法有很多，其中技術(shù)最成熟，效果最穩(wěn)定的為振動(dòng)信號分析法，振動(dòng)信號分析法是一種利用傳感器對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行速度和運(yùn)行信號進(jìn)行采集的方法，具體來說，振動(dòng)信號分析法可以分為以下三類：時(shí)域分析法、頻域分析法和時(shí)頻域分析法。

（1）時(shí)域分析法：風(fēng)機(jī)齒輪箱時(shí)域分析法是一種最為直觀的故障診斷方法，這種方法是對原始信號進(jìn)行提取，這種原始信號屬于時(shí)域信號，技術(shù)人員對收集起來的信號的時(shí)域特征進(jìn)行分析。風(fēng)機(jī)齒輪箱存在不同的故障會(huì)通過不同的時(shí)域信息表現(xiàn)出來。時(shí)域分析法的優(yōu)點(diǎn)是分析數(shù)據(jù)能夠更加直觀簡潔的被展現(xiàn)出來，但是它也有一定的缺點(diǎn)，就是其反應(yīng)的故障信息量較為有限，因此檢測故障時(shí)無法準(zhǔn)確的檢測出故障發(fā)生的位置，通常需要與其他設(shè)備儀器或者檢測方法相配合。（2）頻域分析法：風(fēng)機(jī)齒輪箱故障頻域分析法是將時(shí)域振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換成為頻域信號后，通過對頻域信號的特征分析進(jìn)行故障判定的方法，其診斷原理是如果齒輪箱發(fā)生故障，其發(fā)出的頻率信號在某些頻率點(diǎn)上往往具有較大的振幅，技術(shù)人員能夠通過對振幅進(jìn)行分析，找出齒輪機(jī)出現(xiàn)故障的部位和原因，進(jìn)而對齒輪機(jī)進(jìn)行有針對性的故障維修。通常情況，按照分析普的不同，可以將常見的頻域分析法分為頻譜分析、高階譜分析和解調(diào)譜分析。頻域分析的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)收喜课贿M(jìn)行準(zhǔn)確的定位，但是如果風(fēng)機(jī)齒輪箱發(fā)出的信號不夠平穩(wěn)，則其故障診斷能力較差。（3）時(shí)頻域分析方法：由于齒輪箱組成結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，其振動(dòng)信號也無法保證一直平穩(wěn)，因此單純依靠頻域分析法無法準(zhǔn)確體現(xiàn)其存在的問題，在此背景下時(shí)頻域分析法應(yīng)運(yùn)而生。顧名思義，時(shí)頻域分析法能夠同時(shí)獲得振動(dòng)信號的時(shí)域特征和頻域特征，且即便振動(dòng)信號不夠平穩(wěn)時(shí)常發(fā)生變動(dòng)也能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測量。當(dāng)前較常見的時(shí)頻域分析法包括短時(shí)傅里葉變換和小波變換等。

2.3 國外風(fēng)機(jī)齒輪箱故障診斷方法研究現(xiàn)狀

相對于國內(nèi)，國外學(xué)者對于風(fēng)機(jī)齒輪箱故障的研究起步更早，早在上世紀(jì)八十年代，人們就已經(jīng)研究出方法——通過對齒輪嚙合振動(dòng)信號的振幅和相位調(diào)節(jié)對齒輪箱中齒輪存在的故障進(jìn)行分析。上世紀(jì)九十年代，技術(shù)人員提出可以運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法實(shí)現(xiàn)對齒輪箱存在故障的診斷，幾年后，一個(gè)用于風(fēng)機(jī)異常診斷的智能故障檢測系統(tǒng)框架被提出，這個(gè)框架被成功的安裝在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的微處理器上和風(fēng)機(jī)外部的PC端上。近年來，科學(xué)人員又研究出一套風(fēng)機(jī)齒輪箱智能預(yù)測系統(tǒng)維護(hù)軟件構(gòu)架，通過這個(gè)智能構(gòu)架，人們能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦風(fēng)機(jī)出現(xiàn)問題便能在第一時(shí)間得以發(fā)現(xiàn)，并作出及時(shí)的補(bǔ)救。

3 風(fēng)機(jī)齒輪箱故障預(yù)警方法研究

3.1 仿真分析預(yù)測法

近年來，隨著風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其內(nèi)部復(fù)雜程度也越來越大，設(shè)計(jì)并成功制造一臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪箱，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，因此從根本上提升風(fēng)機(jī)齒輪箱的建造質(zhì)量，增強(qiáng)風(fēng)機(jī)齒輪箱的安全可靠性已經(jīng)變得越來越重要，在此背景下，仿真預(yù)測分析齒輪箱的故障受到學(xué)者和技術(shù)人員的廣泛重視。運(yùn)用仿真技術(shù)，技術(shù)人員設(shè)計(jì)出了能夠?qū)鲃?dòng)的齒輪機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行觀察、記錄、分析的觀測器，觀測器的運(yùn)用對齒輪箱的故障分析起到了一定的指導(dǎo)作用。

齒輪失效最為典型的形式包括點(diǎn)蝕、彎斷、膠合和磨損，這些失效故障最主要的問題就是齒輪機(jī)中的潤滑系統(tǒng)存在問題，因此對于這類故障可以對齒輪箱的潤滑系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，通過模擬實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論當(dāng)風(fēng)機(jī)齒輪箱存在故障的情況下，齒輪箱的漏油情況與風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)疏忽效率成反比，因此等風(fēng)機(jī)齒輪箱出現(xiàn)此類故障隱患時(shí)，該模型就能出現(xiàn)相應(yīng)的反饋，從而達(dá)到良好的故障預(yù)測效果。

3.2 油品性能檢測預(yù)測法

系統(tǒng)潤滑不良是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)齒輪箱出現(xiàn)故障的主要原因，如果潤滑油品質(zhì)性能不符合要求，在運(yùn)行過程中就會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生劇烈磨損，因此技術(shù)人員如果能對齒輪磨損程度以及潤滑質(zhì)量進(jìn)行檢測，就能夠在很大程度上提升風(fēng)機(jī)齒輪的安全性和可靠性?，F(xiàn)階段，我國國內(nèi)對風(fēng)機(jī)齒輪潤滑油的檢測還停留在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，技術(shù)操作人員每經(jīng)過一段時(shí)間便對潤滑油進(jìn)行一次抽樣分析，檢測過程包括對潤滑油油品質(zhì)量的檢測和對齒輪機(jī)磨損程度的檢測。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知如果潤滑油中摻雜過多的水分，會(huì)使油液內(nèi)的油泥變多，降低潤滑油的潤滑效果，從量化方面舉例分析，當(dāng)潤滑油中的水分含量超過0.1%時(shí)，油液便會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)潤滑油中的水分含量超過0.4%時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重影響油液的潤滑效果，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪或者軸承因過度摩擦產(chǎn)生不必要的磨損。另外，潤滑油的粘度和總酸值也對潤滑油的潤滑效果有絕對的影響，如果潤滑油的粘度變化范圍過大，超出規(guī)定范圍時(shí)，潤滑油就會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，油品質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，如果潤滑油的總酸值過大，齒輪的腐蝕磨損也會(huì)變大，使齒輪和軸承產(chǎn)生額外磨損。針對這種情況，可以對潤滑油中的金屬磨粒進(jìn)行檢測和分析，進(jìn)而掌握軸承和齒輪的磨損情況。例如可以采用SEM/EDX等分析方法對潤滑油中顆粒的污染程度和磨損程度進(jìn)行分析，通過分析結(jié)果得出待檢齒輪發(fā)生故障的原因和程度。相對于離線檢測法，油液還可以進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測，在線監(jiān)測法一方面能夠?qū)τ鸵旱馁|(zhì)量進(jìn)行隨時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油液存在的隱患，還能對油液中攜帶物的狀態(tài)進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)測，進(jìn)而分析出齒輪箱中關(guān)鍵部件的磨損狀況，換句話說油液的在線監(jiān)測能夠?qū)鹘y(tǒng)的設(shè)備事后維修轉(zhuǎn)化為事前預(yù)防。

4 結(jié)束語

相對于國外來說，我國風(fēng)電機(jī)組油液故障監(jiān)測系統(tǒng)起步較晚，還存在監(jiān)測準(zhǔn)確度不夠精確、可靠性差，監(jiān)測數(shù)據(jù)無法完全解讀等問題。因此深入對油液監(jiān)測系統(tǒng)的研究，運(yùn)用科學(xué)智能的方法增強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)的有效性是未來油品在線監(jiān)測的主要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳園藝.風(fēng)電機(jī)組齒輪故障診斷預(yù)警分析[D].華北電力大學(xué)，2017.

[2]張欣欣.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障預(yù)警方法研究[D].燕山大學(xué)，2017.