風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)測(cè)試及分析

程 振，張新榮，劉成浩，馬王禹澤

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)測(cè)試及分析

程 振，張新榮，劉成浩，馬王禹澤

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

文章分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的振動(dòng)特性，在此基礎(chǔ)上提出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)測(cè)試方法，并以國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)2臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析了引起機(jī)組振動(dòng)的原因，總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的頻譜特征。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；振動(dòng)特性；振動(dòng)檢測(cè)

1 概況

對(duì)各國(guó)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生的故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，風(fēng)電機(jī)組的易損部件主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)（齒輪箱、主軸）、葉片、發(fā)電機(jī)等，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各種故障中，大部分故障的產(chǎn)生與機(jī)組主要結(jié)構(gòu)的振動(dòng)有關(guān)，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱部分是機(jī)艙振動(dòng)的主要來源。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)特性及振動(dòng)檢測(cè)研究對(duì)提高風(fēng)電機(jī)組可靠性十分重要。

某風(fēng)電場(chǎng)位于湖北省通山縣內(nèi)，裝有16臺(tái)G58-850型西班牙進(jìn)口風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)場(chǎng)投產(chǎn)運(yùn)行2年以來，風(fēng)機(jī)日常維護(hù)工作十分頻繁，尤其在機(jī)艙內(nèi)部的齒輪箱、主軸承等設(shè)備發(fā)生各種故障頻率較高，維護(hù)工作困難。為此，下文以某風(fēng)電場(chǎng)F-10機(jī)組、F-16機(jī)組齒輪箱振動(dòng)特性及振動(dòng)檢測(cè)為研究對(duì)象，分析總結(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障特點(diǎn)。

2 特性分析

齒輪箱振動(dòng)的2個(gè)基本頻率就是軸旋轉(zhuǎn)頻率和齒輪嚙合頻率。嚙合頻率是任意相互嚙合的2個(gè)齒輪轉(zhuǎn)過1個(gè)齒距角時(shí)間的倒數(shù)，可由式（1）確定。

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速即風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，rpm；z為齒數(shù)。

G58-850型風(fēng)電機(jī)組齒輪箱采用1級(jí)行星/2級(jí)平行軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.1 第一級(jí)行星輪傳動(dòng)

第一級(jí)為行星輪系，行星架為輸入端，內(nèi)齒圈是固定的，太陽(yáng)輪是輸出端。主要參數(shù)有：太陽(yáng)輪齒數(shù)z2，行星輪齒數(shù)z3，內(nèi)齒圈齒數(shù)z4。

設(shè)第一級(jí)行星輪系傳動(dòng)比為I1，內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速n4=0，太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速n2=I1·n，行星輪公轉(zhuǎn)速度n3=n，則太陽(yáng)輪、行星輪及內(nèi)齒圈的嚙合頻率均為：

圖1 G58-850風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱結(jié)構(gòu)圖

行星架所在軸轉(zhuǎn)頻：

太陽(yáng)輪軸轉(zhuǎn)頻：

2.2 第二級(jí)中間級(jí)定軸傳動(dòng)

第二級(jí)為中間級(jí)，主要參數(shù)有大齒輪數(shù)齒數(shù)z6，小齒輪齒數(shù)z5。

設(shè)第二級(jí)中間級(jí)傳動(dòng)比為I2，大齒輪轉(zhuǎn)速為太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速n6=n2=I2·n，小齒輪轉(zhuǎn)速n5=I2·n6，則中間級(jí)嚙合頻率均為：

中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為：

2.3 第三級(jí)高速級(jí)定軸傳動(dòng)

第三級(jí)為高速級(jí)，主要參數(shù)有大齒輪數(shù)齒數(shù)z1，小齒輪齒數(shù)z7。

設(shè)第三級(jí)高速級(jí)傳動(dòng)比為I3，大齒輪轉(zhuǎn)速為中間軸轉(zhuǎn)速n1=n5，小齒輪轉(zhuǎn)速n7=I3·n1，高速級(jí)嚙合頻率均為：

高速軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為：

3 測(cè)點(diǎn)方案

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)是設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)信息的重要載體，合理布置測(cè)點(diǎn)是決定能否檢測(cè)到準(zhǔn)確振動(dòng)信號(hào)的必要條件，而選擇最佳的測(cè)點(diǎn)是決定能否客觀的獲取設(shè)備故障信息的關(guān)鍵。因此，振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)的選擇尤為重要。測(cè)點(diǎn)布置方案如表1所示。

表1 測(cè)點(diǎn)布置

4 振動(dòng)信號(hào)分析

4.1 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)特征頻率

F-10機(jī)組在檢測(cè)時(shí)實(shí)測(cè)平均風(fēng)速為5.0 m/s，平均風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為12.5 rpm，F(xiàn)-16機(jī)組在檢測(cè)時(shí)實(shí)測(cè)平均風(fēng)速為12 m/s，平均風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為22.5 rpm，將風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的基本參數(shù)帶入到公式（2）～（7）中，得到齒輪箱的特征頻率如表2所示。

4.2 F-10風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻域分析

對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的輸入軸、低速軸、中間軸及高速軸進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，觀察實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在同一臺(tái)機(jī)組的不同測(cè)點(diǎn)處，測(cè)得振動(dòng)信號(hào)包含的機(jī)組故障信息基本相同。由于篇幅有限，這里僅列出F-10機(jī)組中間軸垂直測(cè)點(diǎn)及F-16機(jī)組輸入軸水平測(cè)點(diǎn)的時(shí)頻域分析結(jié)果。

F-10機(jī)組齒輪箱中間軸振動(dòng)時(shí)域波采集的加速度信號(hào)前10 s出現(xiàn)異常，與后面50 s的振動(dòng)波形相差很大，可能是電磁干擾的影響。因此，剔除前10 s的數(shù)據(jù)，做進(jìn)一步分析。F-10機(jī)組中間軸垂直振動(dòng)信號(hào)0～2 000 Hz范圍內(nèi)的速度譜出現(xiàn)峰值，如表3所示。

表2 齒輪箱振動(dòng)特征頻率

表3 F-10機(jī)組中間軸垂直振動(dòng)0—2 000 Hz范圍速度譜峰值表

在表3中可明顯觀察到以中間級(jí)嚙合頻率99.48 Hz及其4倍頻為中心頻率的載波，其余頻率段振動(dòng)幅值較為平穩(wěn)，在載波中心周圍沒有發(fā)現(xiàn)有規(guī)律間隔的邊帶成分，進(jìn)一步細(xì)化解調(diào)得到加速度包絡(luò)譜。F-10機(jī)組中間軸垂直振動(dòng)信號(hào)低頻區(qū)域內(nèi)振動(dòng)成分比較豐富，沒有明顯的峰值突出，且沒有明顯間隔的邊帶頻率成分，在齒輪箱特征頻率處也沒有發(fā)現(xiàn)明顯峰值存在。這說明F-10號(hào)機(jī)組齒輪箱中間級(jí)在嚙合過程中產(chǎn)生的低噪較高，這與其潤(rùn)滑不良有關(guān)。

4.3 F-16風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻域分析

F-16機(jī)組齒輪箱輸入軸振動(dòng)信號(hào)0～1 000 Hz，1 000～2 000 Hz范圍的速度頻譜出現(xiàn)峰值，如表4所示。

在表4中發(fā)現(xiàn)齒輪箱中間級(jí)嚙合頻率179.06 Hz及其倍頻載波頻率。高速級(jí)嚙合頻率的二倍頻1 432.20 Hz周圍存在對(duì)稱分布、數(shù)量多、分布寬的調(diào)制邊頻帶，頻率間隔約為30 Hz。經(jīng)過進(jìn)一步解調(diào)分析齒輪箱輸入軸水平加速度細(xì)化包絡(luò)譜，加速度譜出現(xiàn)峰值，如表5所示。

表4 F-16機(jī)組輸入軸水平振動(dòng)0～1000 Hz范圍速度譜峰值表

表5 F-16機(jī)組齒輪箱輸入軸水平加速度細(xì)化包絡(luò)譜峰值表

在表5中，可以清楚地分辨出調(diào)制信號(hào)的頻率為31.13 Hz，即高速軸轉(zhuǎn)頻，而且前2階諧頻幅值增加較為明顯。輸入軸水平測(cè)點(diǎn)檢測(cè)出的頻譜特征為：以中間級(jí)嚙合頻率及其諧波、高速級(jí)嚙合頻率為載波頻率，高速軸轉(zhuǎn)頻及其2倍頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象。信號(hào)頻譜中邊帶的成分主要由于高速軸的轉(zhuǎn)頻產(chǎn)生調(diào)制，表明在高速軸上可能存在故障。

依據(jù)F-16號(hào)機(jī)組齒輪箱輸入軸振動(dòng)信號(hào)頻譜特征，齒輪箱故障可能為：高速軸上齒輪出現(xiàn)均勻磨損、斷齒、齒形誤差或高速軸不平衡4種故障。當(dāng)齒輪均勻磨損時(shí)，一般不會(huì)形成輪齒的齒形局部大的變化，所以一般沒有沖擊振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生，不會(huì)出現(xiàn)明顯的調(diào)制現(xiàn)象，只會(huì)有齒輪嚙合頻率及其各階諧波處的幅度明顯增大，這與F-16機(jī)組出現(xiàn)明顯的高速軸轉(zhuǎn)頻調(diào)制現(xiàn)象相反，可以排除。齒輪箱的斷齒故障，是一種嚴(yán)重失效形式，軸系在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，斷齒處得輪齒參與嚙合的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊振動(dòng)，在時(shí)域波形上表現(xiàn)為幅值很大的沖擊型振動(dòng)，沖擊頻率等于斷齒所在軸的轉(zhuǎn)頻。由于沖擊能量很大，其邊頻帶的數(shù)目很多，分布也很寬，諧波階數(shù)很高，這與F-16機(jī)組調(diào)制邊帶數(shù)目少而稀，調(diào)制頻率僅前2階較為明顯相違背，也可以排除。F-16號(hào)機(jī)組的故障特征基本符合較為嚴(yán)重的齒形誤差或軸不平衡故障的頻譜特征。軸不平衡故障的本質(zhì)是導(dǎo)致齒形誤差，當(dāng)出現(xiàn)齒形誤差的齒進(jìn)入嚙合，產(chǎn)生的沖擊能量較小，會(huì)產(chǎn)生齒輪嚙合頻率及其高次諧波為載波，故障軸的轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象，調(diào)制頻率的邊頻帶少。

對(duì)照G58-850風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的結(jié)構(gòu)圖可知，中間級(jí)的輸出齒輪z5和高速級(jí)的輸入齒輪z1之間通過中間軸連接，而高速軸連接在高速級(jí)的輸出齒輪z7上。由此可以推斷，F(xiàn)-16號(hào)機(jī)組的故障類型為齒輪箱高速軸上的z7齒輪存在齒形誤差，或是高速軸不平衡故障。

5 總結(jié)

1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)比地面齒輪箱結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，振動(dòng)信號(hào)中包含頻率成份更多，其信號(hào)特點(diǎn)如下：周期成分主要是齒輪箱各級(jí)軸的轉(zhuǎn)頻、嚙合頻率及其諧波成分，其中，中間級(jí)和高速級(jí)嚙合頻率成分最突出。

2）從分析過程看，風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的解調(diào)分析對(duì)確定機(jī)組故障原因十分有效。

3）從分析結(jié)果看，測(cè)試2臺(tái)機(jī)組振動(dòng)幅值處于同一數(shù)量級(jí)，這表明僅僅通過振幅的變化不能完全說明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。2臺(tái)機(jī)組振動(dòng)信號(hào)中均存在邊帶成分，因此僅憑振動(dòng)信號(hào)中是否存在邊帶成分不能診斷為齒輪箱故障，還有可能是潤(rùn)滑不良。

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TM614 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

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1002—0624（2017）12—0061—03

2017-05-31