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，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。

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（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