全矢譜技術(shù)在WTDS實(shí)驗(yàn)臺(tái)故障診斷中的應(yīng)用

韓 捷，張錢龍

(鄭州大學(xué) 振動(dòng)工程研究所，河南 鄭州 450001)

全矢譜技術(shù)在WTDS實(shí)驗(yàn)臺(tái)故障診斷中的應(yīng)用

韓 捷，張錢龍

(鄭州大學(xué) 振動(dòng)工程研究所，河南 鄭州 450001)

針對(duì)如何準(zhǔn)確地診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障的問(wèn)題，從全矢譜技術(shù)理論分析著手，在處理風(fēng)力渦輪機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，全面介紹全矢譜技術(shù)的應(yīng)用方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于同源信息融合的全矢譜技術(shù)在風(fēng)力渦輪機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，能正確地找到預(yù)設(shè)的故障位置，并準(zhǔn)確地判斷出故障性質(zhì).

全矢譜；風(fēng)力渦輪機(jī)；故障診斷

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以有效地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，近年來(lái)逐漸受到人們的關(guān)注.然而，這些大型設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.據(jù)世界風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)數(shù)據(jù)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的失效率12%來(lái)自齒輪箱的失效[1].齒輪箱的失效是導(dǎo)致故障時(shí)間長(zhǎng)、維修費(fèi)用高和經(jīng)濟(jì)效益低的主要原因，一般其損失要占風(fēng)電設(shè)備總價(jià)的15%～20%[2].由于工作環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)齒輪箱主要在軸承和齒輪方面容易出現(xiàn)故障.因此，如何通過(guò)準(zhǔn)確的診斷方法來(lái)提高其可靠性，是我們需要解決的問(wèn)題.

近年來(lái)，基于信息融合的全矢譜技術(shù)在設(shè)備故障診斷中逐步顯現(xiàn)出優(yōu)越性.目前，鄭州恩普特設(shè)備診斷工程有限公司在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用該方法實(shí)時(shí)分析電廠汽輪機(jī)、水泥廠立磨減速機(jī)等機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)可靠性；雷文平等[3]將其應(yīng)用到轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡中，提出轉(zhuǎn)子全矢動(dòng)平衡法，提高轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度；王植申等[1]將其應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)齒輪箱軸承的故障診斷中，并取得了較好的結(jié)果.

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷中，王植申等在判斷故障所在位置時(shí)，只通過(guò)單通道測(cè)量值簡(jiǎn)單對(duì)比得出結(jié)論，在處理早期故障的振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，由于數(shù)據(jù)差別不大，采用這樣的直接方法是行不通的；在判斷故障性質(zhì)時(shí)沒(méi)有通過(guò)與單通道數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明全矢譜技術(shù)在判斷故障性質(zhì)時(shí)所體現(xiàn)出的先進(jìn)性，其主要說(shuō)明了全矢譜技術(shù)能準(zhǔn)確提取振動(dòng)特征.而筆者主要目的是以風(fēng)力渦輪機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(wind turbine drivetrain diagnostics dimulator, WTDS)小齒輪缺齒故障為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用全矢譜計(jì)算方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)各測(cè)點(diǎn)間全矢譜的橫向?qū)Ρ葋?lái)驗(yàn)證全矢譜技術(shù)能正確找到故障位置；通過(guò)單個(gè)測(cè)點(diǎn)的全矢譜及其單通道頻譜的縱向?qū)Ρ葋?lái)證明全矢譜技術(shù)在判斷故障性質(zhì)上的優(yōu)越性.

1 全矢譜計(jì)算方法

全矢譜算法不僅可以在平面上對(duì)同源信號(hào)進(jìn)行融合，同時(shí)還可以在三維空間進(jìn)行推廣[4-5].

由于轉(zhuǎn)子渦動(dòng)現(xiàn)象的存在，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其各階頻率軸心軌跡是一個(gè)橢圓.如圖1所示，如果用單向傳感器測(cè)量，方向不同，所測(cè)的各階振幅也不同，所以在頻率結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生較大誤差，進(jìn)而導(dǎo)致故障的誤判、錯(cuò)判.

由文獻(xiàn)[4]可知

(1)

(2)

式中：Xci=Xicosφxi，Xi，φxi分別為離散信號(hào){xi}的振幅和相位角；Xsi=Xisinφxi；Yci=Yicosφyi，Yi，φyi,分別為離散信號(hào){yi}的振幅和相位角；Ysi=Yisinφyi，i=0,1,…,N-1.

由式(1)和(2)可得出主振矢為

(3)

式中：k=1,2,…,N/2-1.根據(jù)全矢譜運(yùn)算方法得到的橢圓軌跡主振矢Ra和副振矢Rb，可以準(zhǔn)確地知道轉(zhuǎn)子故障信號(hào)幅值譜的頻譜結(jié)構(gòu).

圖1 單向信號(hào)測(cè)量出不同頻率結(jié)構(gòu)Fig.1 Different frequency structures of unidirectional signal

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

鄭州大學(xué)振動(dòng)工程研究所新引進(jìn)的WTDS實(shí)驗(yàn)臺(tái)是專門診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)各種故障的綜合性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示.

圖2 WTDS實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.2 The experimental station of WTDS

WTDS傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括一個(gè)由套筒軸承支撐的2級(jí)平行軸齒輪箱、一個(gè)齒輪軸徑向負(fù)載、一個(gè)1級(jí)行星齒輪箱和一個(gè)磁力制動(dòng)器組成.該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可模擬直齒和斜齒齒輪的齒面磨損、點(diǎn)蝕、輪齒裂紋、斷裂以及缺齒等故障，也可模擬滾動(dòng)軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體故障及其耦合故障.這些故障的模擬便于故障診斷技術(shù)和先進(jìn)信號(hào)處理方法的研究.為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加清晰，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為單一的輸入軸小齒輪故障.

本次實(shí)驗(yàn)所使用的檢測(cè)設(shè)備為PDES-E(設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)儀).PDES-E點(diǎn)、巡檢系統(tǒng)采用便攜式故障診斷儀器客觀準(zhǔn)確地收集有關(guān)設(shè)備運(yùn)行的各類參數(shù)，可以由儀器自帶傳感器直接測(cè)量多種參量信息(如機(jī)器的振動(dòng)、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、流量等).對(duì)于點(diǎn)、巡檢儀上傳的各類數(shù)據(jù)，提供各種分析統(tǒng)計(jì)方法，如常規(guī)的趨勢(shì)分析與預(yù)測(cè)，對(duì)于采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行波形分析、頻譜分析、相關(guān)分析、功率譜分析等.對(duì)于多通道多轉(zhuǎn)子截面還可以提供全矢譜、全息譜等信息融合的方法，從而深入分析設(shè)備存在的故障原因[6].根據(jù)故障特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)采用加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量.

2.2 測(cè)量過(guò)程

齒輪箱的3根軸分別命名為：與電機(jī)端相連接的軸為輸入軸;與行星齒輪箱相連接的軸為輸出軸;余下的傳動(dòng)軸稱為中間軸.輸入軸兩端分別為測(cè)點(diǎn)1、2，中間軸的兩端為別為測(cè)點(diǎn)3、4，由于輸出軸的輸出無(wú)法安裝傳感器，只在另一端設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)5.WTDS齒輪箱和測(cè)點(diǎn)分布簡(jiǎn)圖如圖3所示.

圖3 WTDS齒輪箱和測(cè)點(diǎn)分布簡(jiǎn)圖Fig.3 The gear box and the measuring points distribution diagram of WTDS

利用PDES-E中加速度傳感器對(duì)5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集，采集過(guò)程中由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的原因，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝傳感器時(shí)，并不能保證兩個(gè)通道是絕對(duì)的水平與豎直方向，但兩通道始終保持著垂直關(guān)系，如圖4所示.

在下文中所指的水平方向x信號(hào)和豎直方向y信號(hào)都是相對(duì)的，并非絕對(duì)的.齒輪箱一級(jí)減速齒數(shù)比為100/29，二級(jí)減速齒數(shù)比為90/35，輸入軸轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，即旋轉(zhuǎn)頻率為60 Hz，則中間軸和輸出軸的旋轉(zhuǎn)頻率分別為17.4 Hz和6.8 Hz.采樣頻率為7 680 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為4 096.PDES-E測(cè)得各測(cè)點(diǎn)x和y信號(hào)，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各測(cè)點(diǎn)信號(hào)頻譜圖如圖5～7所示.

圖4 傳感器安裝位置Fig.4 Sensor installation location

圖5 輸入軸測(cè)點(diǎn)1，2幅值譜和全矢譜Fig.5 The amplitude spectrum and full vector spectrum of input shaft measuring points 1,2

圖6 中間軸測(cè)點(diǎn)3，4幅值譜和全矢譜Fig.6 The amplitude spectrum and full vector spectrum of intermediate shaft measuring points 3,4

圖7 輸出軸測(cè)點(diǎn)5幅值譜和全矢譜Fig.7 The amplitude spectrum and full vector spectrum of output shaft measuring point 5

對(duì)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值進(jìn)行分析：圖5中輸入軸兩端測(cè)點(diǎn)1和2振動(dòng)幅值較大；圖6則可以看出中間軸兩端測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)幅值較大，而測(cè)點(diǎn)4振動(dòng)幅值就比較?。粓D7中測(cè)點(diǎn)5的振動(dòng)比較小，與測(cè)點(diǎn)4的振動(dòng)比較類似.這主要是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)1、2和3振幅比測(cè)點(diǎn)4和5大，結(jié)合圖3測(cè)點(diǎn)分布，由振動(dòng)的能量傳遞關(guān)系可知，可能是輸入軸或者中間軸部件出現(xiàn)故障.橫向?qū)Ρ龋簩?duì)比測(cè)點(diǎn)1、2和3的x或y單通道幅值時(shí)，單從各測(cè)點(diǎn)單通道幅值譜分析，比較3個(gè)測(cè)點(diǎn)x通道振幅和y通道振幅大小時(shí)會(huì)判斷出不同的故障位置，造成誤判；對(duì)比測(cè)點(diǎn)主振矢大小，1和3測(cè)點(diǎn)振幅比測(cè)點(diǎn)2大，可推測(cè)是輸入軸和中間軸大小齒輪嚙合時(shí)出現(xiàn)故障，準(zhǔn)確判斷出故障位置.5個(gè)測(cè)點(diǎn)頻譜圖有一個(gè)共同點(diǎn)就是分別在頻率為60、120和180 Hz處有比其他頻率較大的振動(dòng)幅值，輸入軸頻率又為60 Hz，因此可推斷輸入軸小齒輪出現(xiàn)故障.要判斷出故障性質(zhì)，還需對(duì)測(cè)點(diǎn)1的信號(hào)振動(dòng)特征作進(jìn)一步分析.縱向?qū)Ρ龋簣D5中，x1通道二倍頻振幅大于一倍頻是轉(zhuǎn)子平行不對(duì)中的故障特征；y1通道具有強(qiáng)烈的一倍頻能量，屬于轉(zhuǎn)子不平衡的故障特征，同一個(gè)位置的測(cè)點(diǎn)得出兩種不同的故障，故出現(xiàn)誤判.而對(duì)比分析測(cè)點(diǎn)1的主振矢特征，以輸入軸的轉(zhuǎn)頻及其高次諧波有較大的振幅并且振動(dòng)沖擊逐漸減小，是典型的齒輪缺齒或局部斷裂故障特征.綜上，通過(guò)全矢譜分析，可判斷該故障是輸入軸小齒輪缺齒故障，這與實(shí)驗(yàn)所用的小齒輪相吻合.從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在WTDS實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，單獨(dú)以單通道振動(dòng)特征判斷故障所在的位置及其性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)所用的小齒輪缺齒故障是有差別的，而在該實(shí)驗(yàn)中利用全矢譜技術(shù)所判斷出的故障位置與性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)故障是相符的.

3 結(jié)論

筆者簡(jiǎn)單介紹了全矢譜的快速計(jì)算方法，并分別通過(guò)在WTDS實(shí)驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)用單通道測(cè)量與基于同源信息融合的全矢譜技術(shù)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：基于同源信息融合的全矢譜技術(shù)在WTDS實(shí)驗(yàn)臺(tái)上能正確地找到預(yù)設(shè)的故障位置，并準(zhǔn)確地判斷出故障性質(zhì).同時(shí)，上述實(shí)驗(yàn)也證明了運(yùn)用全矢譜技術(shù)的WTDS實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以作為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為機(jī)組故障診斷提供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用.

[1] 王植申,韓捷,陳宏,等. 基于全矢譜的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)齒輪箱的故障診斷研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2011(11): 109-111.

[2] AMIRAT Y, BENBOUZID M E H, AI-AHMAR E, et al. A brief status on condition monitoring and fault diagnosis in wind energy conversion systems [J].Renewable and sustainable energy reviews, 2009 (13): 2629-2636.

[3] 雷文平,韓捷,陳宏,等. 全矢動(dòng)平衡方法及其實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào), 2011, 9(1): 103-107.

[4] 韓捷,石來(lái)德. 全矢譜技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[5] 韓捷,張瑞林. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理及診斷技術(shù)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

[6] 李小麗. PDES設(shè)備安全評(píng)價(jià)點(diǎn)巡檢系統(tǒng)在漳村煤礦的應(yīng)用[J].煤, 2011, 20(12): 52, 91.

The Application of Full Vector Spectrum Technology in Fault Diagnosis of WTDS Experimental Platform

HAN Jie, ZHANG Qianlong

(Institute of Vibration Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

In order to accurately diagnose the wind turbine gear box fault, the application of full vector spectrum was fully introduced in an experimental data processing of wind turbine drivetrain diagnostics simulator (WTDS). The result showed that full vector spectrum technology which based on homologous information fusion could find the correct preset fault location and accurately determine the nature of the fault on WTDS.

full vector spectrum; wind turbine; fault diagnosis

1671-6833(2017)01-0074-04

2015-03-27；

2015-05-10

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目指導(dǎo)計(jì)劃資助(13B603970.0)；河南省高等學(xué)校精密制造技術(shù)與工程重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(PMTE201302A)

韓捷(1957— )，男，河南安陽(yáng)人，鄭州大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)備故障機(jī)理及智能診斷技術(shù)等方面的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，E-mail:hj_em@163.com.

TH17

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.032