風力發(fā)電機組齒輪箱振動測試及分析

程 振，張新榮，劉成浩，馬王禹澤

風力發(fā)電機組齒輪箱振動測試及分析

程 振，張新榮，劉成浩，馬王禹澤

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

文章分析了風力發(fā)電機組齒輪箱的振動特性，在此基礎上提出了風力發(fā)電機組的振動測試方法，并以國內(nèi)某風電場2臺風電機組的實測振動數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析了引起機組振動的原因，總結了風力發(fā)電機組振動故障的頻譜特征。

風力發(fā)電機組；振動特性；振動檢測

1 概況

對各國風電機組發(fā)生的故障統(tǒng)計結果表明，風電機組的易損部件主要包括傳動系統(tǒng)（齒輪箱、主軸）、葉片、發(fā)電機等，而風力發(fā)電機組各種故障中，大部分故障的產(chǎn)生與機組主要結構的振動有關，其中風力發(fā)電機組的齒輪箱部分是機艙振動的主要來源。因此，風力發(fā)電機組齒輪箱振動特性及振動檢測研究對提高風電機組可靠性十分重要。

某風電場位于湖北省通山縣內(nèi)，裝有16臺G58-850型西班牙進口風電機組。風場投產(chǎn)運行2年以來，風機日常維護工作十分頻繁，尤其在機艙內(nèi)部的齒輪箱、主軸承等設備發(fā)生各種故障頻率較高，維護工作困難。為此，下文以某風電場F-10機組、F-16機組齒輪箱振動特性及振動檢測為研究對象，分析總結風力發(fā)電機組齒輪箱的故障特點。

2 特性分析

齒輪箱振動的2個基本頻率就是軸旋轉頻率和齒輪嚙合頻率。嚙合頻率是任意相互嚙合的2個齒輪轉過1個齒距角時間的倒數(shù)，可由式（1）確定。

式中：n為主軸轉速即風輪轉速，rpm；z為齒數(shù)。

G58-850型風電機組齒輪箱采用1級行星/2級平行軸傳動結構，如圖1所示。

2.1 第一級行星輪傳動

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

設第一級行星輪系傳動比為I1，內(nèi)齒圈轉速n4=0，太陽輪轉速n2=I1·n，行星輪公轉速度n3=n，則太陽輪、行星輪及內(nèi)齒圈的嚙合頻率均為：

圖1 G58-850風力發(fā)電機組齒輪箱結構圖

行星架所在軸轉頻：

太陽輪軸轉頻：

2.2 第二級中間級定軸傳動

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

設第二級中間級傳動比為I2，大齒輪轉速為太陽輪轉速n6=n2=I2·n，小齒輪轉速n5=I2·n6，則中間級嚙合頻率均為：

中間軸轉動頻率為：

2.3 第三級高速級定軸傳動

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

設第三級高速級傳動比為I3，大齒輪轉速為中間軸轉速n1=n5，小齒輪轉速n7=I3·n1，高速級嚙合頻率均為：

高速軸轉動頻率為：

3 測點方案

風力發(fā)電機組振動信號是設備出現(xiàn)異常時信息的重要載體，合理布置測點是決定能否檢測到準確振動信號的必要條件，而選擇最佳的測點是決定能否客觀的獲取設備故障信息的關鍵。因此，振動測試點的選擇尤為重要。測點布置方案如表1所示。

表1 測點布置

4 振動信號分析

4.1 風電機組齒輪箱振動特征頻率

F-10機組在檢測時實測平均風速為5.0 m/s，平均風輪轉速為12.5 rpm，F(xiàn)-16機組在檢測時實測平均風速為12 m/s，平均風輪轉速為22.5 rpm，將風電機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風電機組齒輪箱振動信號時頻域分析

對風電機組齒輪箱的輸入軸、低速軸、中間軸及高速軸進行振動檢測，觀察實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在同一臺機組的不同測點處，測得振動信號包含的機組故障信息基本相同。由于篇幅有限，這里僅列出F-10機組中間軸垂直測點及F-16機組輸入軸水平測點的時頻域分析結果。

F-10機組齒輪箱中間軸振動時域波采集的加速度信號前10 s出現(xiàn)異常，與后面50 s的振動波形相差很大，可能是電磁干擾的影響。因此，剔除前10 s的數(shù)據(jù)，做進一步分析。F-10機組中間軸垂直振動信號0～2 000 Hz范圍內(nèi)的速度譜出現(xiàn)峰值，如表3所示。

表2 齒輪箱振動特征頻率

表3 F-10機組中間軸垂直振動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，進一步細化解調(diào)得到加速度包絡譜。F-10機組中間軸垂直振動信號低頻區(qū)域內(nèi)振動成分比較豐富，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號機組齒輪箱中間級在嚙合過程中產(chǎn)生的低噪較高，這與其潤滑不良有關。

4.3 F-16風電機組齒輪箱振動信號時頻域分析

F-16機組齒輪箱輸入軸振動信號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)齒輪箱中間級嚙合頻率179.06 Hz及其倍頻載波頻率。高速級嚙合頻率的二倍頻1 432.20 Hz周圍存在對稱分布、數(shù)量多、分布寬的調(diào)制邊頻帶，頻率間隔約為30 Hz。經(jīng)過進一步解調(diào)分析齒輪箱輸入軸水平加速度細化包絡譜，加速度譜出現(xiàn)峰值，如表5所示。

表4 F-16機組輸入軸水平振動0～1000 Hz范圍速度譜峰值表

表5 F-16機組齒輪箱輸入軸水平加速度細化包絡譜峰值表

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

依據(jù)F-16號機組齒輪箱輸入軸振動信號頻譜特征，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。當齒輪均勻磨損時，一般不會形成輪齒的齒形局部大的變化，所以一般沒有沖擊振動信號產(chǎn)生，不會出現(xiàn)明顯的調(diào)制現(xiàn)象，只會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機組出現(xiàn)明顯的高速軸轉頻調(diào)制現(xiàn)象相反，可以排除。齒輪箱的斷齒故障，是一種嚴重失效形式，軸系在轉動時，斷齒處得輪齒參與嚙合的時候會產(chǎn)生很大的沖擊振動，在時域波形上表現(xiàn)為幅值很大的沖擊型振動，沖擊頻率等于斷齒所在軸的轉頻。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號機組的故障特征基本符合較為嚴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)是導致齒形誤差，當出現(xiàn)齒形誤差的齒進入嚙合，產(chǎn)生的沖擊能量較小，會產(chǎn)生齒輪嚙合頻率及其高次諧波為載波，故障軸的轉頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象，調(diào)制頻率的邊頻帶少。

對照G58-850風電機組齒輪箱的結構圖可知，中間級的輸出齒輪z5和高速級的輸入齒輪z1之間通過中間軸連接，而高速軸連接在高速級的輸出齒輪z7上。由此可以推斷，F(xiàn)-16號機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

1）風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)比地面齒輪箱結構更復雜，振動信號中包含頻率成份更多，其信號特點如下：周期成分主要是齒輪箱各級軸的轉頻、嚙合頻率及其諧波成分，其中，中間級和高速級嚙合頻率成分最突出。

2）從分析過程看，風電機組振動信號的解調(diào)分析對確定機組故障原因十分有效。

3）從分析結果看，測試2臺機組振動幅值處于同一數(shù)量級，這表明僅僅通過振幅的變化不能完全說明風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。2臺機組振動信號中均存在邊帶成分，因此僅憑振動信號中是否存在邊帶成分不能診斷為齒輪箱故障，還有可能是潤滑不良。

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TM614 < class="emphasis_bold"> ［文獻標識碼］B

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1002—0624（2017）12—0061—03

2017-05-31