齒輪箱累計沖擊檢測算法在風力發(fā)電機中的應用

黃 闖

上海電氣風電集團有限公司 工程服務分公司 上海 200241

1 研究背景

隨著我國新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風力發(fā)電機的新增裝機量保持高速增長，風力發(fā)電已成為繼火電和水電之后的第三大新增發(fā)電能源[1]。對于占據(jù)風力發(fā)電機裝機市場一半以上市場份額的雙饋型風力發(fā)電機而言，傳動系統(tǒng)振動故障的問題困擾著相關(guān)企業(yè)，如何解決傳動系統(tǒng)振動故障已成為當前最為緊迫的問題[2]。

由于風輪的轉(zhuǎn)速非常低，達不到雙饋風力發(fā)電機發(fā)電的要求，因此需要通過齒輪箱增速來實現(xiàn)[3]。齒輪箱的壽命往往決定著風力發(fā)電機的壽命，由齒輪箱故障造成的電量損失占到全部非常規(guī)電量損失的69%[4]，因此齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)顯得十分重要。目前，風力發(fā)電機齒輪箱的結(jié)構(gòu)主要有兩種形式： 兩級行星齒輪傳動和一級行星兩級平行傳動[5]。行星齒輪箱行星級的監(jiān)測是齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷問題中的重點，也是難點，其低轉(zhuǎn)速、變轉(zhuǎn)速和復雜的傳動結(jié)構(gòu)都對常規(guī)的振動監(jiān)測及故障診斷帶來一定困難。齒輪箱沖擊檢測算法能夠通過常規(guī)的振動加速度傳感器實現(xiàn)齒輪箱行星級故障的早期預警，從而大幅提高故障檢測的準確率，使齒輪箱的維護方式更好地實現(xiàn)由故障維護向預測性維護升級。

圖1 風力發(fā)電機行星結(jié)構(gòu)齒輪箱

風力發(fā)電機行星結(jié)構(gòu)齒輪箱如圖1所示，對其進行數(shù)據(jù)分析是一個復雜的過程。在設備故障診斷與設備狀態(tài)監(jiān)測中，常用峰值、有效值、尖峰因數(shù)及峭度這四個特征變量[6]。這四個特征變量均能為設備故障診斷與設備運行預警提供參考，但又各有局限性。齒輪箱沖擊檢測算法經(jīng)過大量齒輪箱對拖疲勞老化試驗所獲得的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析驗證，是一種對齒輪箱行星級進行檢測特別有效的算法。

2 振動信號診斷技術(shù)常用的特征變量

在設備故障診斷中，基于振動信號的診斷技術(shù)通常利用振動信號的各種參數(shù)變量，如峰值、有效值、尖峰因數(shù)及峭度等進行初步判斷，以確認是否出現(xiàn)故障[7]。

2.1 振幅

振幅是振動強度和能量水平的標志，是評價機器運轉(zhuǎn)優(yōu)劣的一個主要指標。如圖2所示，橫坐標是時間軸，縱坐標表示振動幅值。衡量振幅的物理量一般有位移、速度和加速度，振幅的量值可以表示為峰峰值、單峰值或有效值。

圖2 振動信號

峰值指波形的最大幅值，設最大幅值為Xmax,最小幅值為Xmin,則單峰值Xp為：

Xp=(Xmax-Xmin)/2

(1)

峰峰值為整個振動歷程的最大值，即2Xp。單峰值是正峰或負峰的最大值，即Xp。峰值反映了部件局部缺陷所產(chǎn)生的沖擊力大小。沖擊力越大，峰值越大。峰值能很好地反映由較大缺陷造成的沖擊性振動，但對部件表面粗糙狀況并不敏感。

有效值即為均方根，也稱總振值、通頻值，用來表示振動能量的大小。有效值能反映因制造或早期磨損引起的部件表面粗糙狀況，但卻不能反映剝落、裂紋、壓痕等局部缺陷。

2.2 尖峰因數(shù)

尖峰因數(shù)Cf綜合了有效值與峰值的情況，為峰值與有效值之比：

Cf=Xp/XRMS

(2)

式中：XRMS為有效值。

通常設備振動波形的尖峰因數(shù)一般小于5，因剝落等局部缺陷引起的尖峰因數(shù)往往大于10[8]。局部缺陷越大，尖峰因數(shù)越大。當有效值出現(xiàn)明顯升高，而尖峰因數(shù)卻無明顯變化，仍然處于較低水平時，軸承可能存在潤滑不良或磨損等情況。

2.3 峭度

峭度是反映振動信號分布特性的數(shù)值統(tǒng)計量，是歸一化的四階中心矩。峭度K計算式為：

(3)

峭度的意義如圖3所示。當K=3時，分布曲線具有正常峰度，即零峭度。當K>3時，分布曲線具有正峭度。K增大，正態(tài)分布曲線峰頂?shù)母叨雀哂谡Ｕ龖B(tài)分布曲線，因此稱為正峭度。當K<3時，分布曲線具有負峭度。

圖3 峭度意義

峭度是無量綱參數(shù)，由于其與設備轉(zhuǎn)速、尺寸、載荷等無關(guān)，對沖擊信號特別敏感，因此特別適用于表面損傷類故障，尤其是早期故障的診斷[10]。

在設備無故障運轉(zhuǎn)時，由于受各種不確定因素的影響，振動信號的幅值接近正態(tài)分布，峭度約為3。隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，振動信號中大幅值的概率密度增大，信號幅值的分布偏離正態(tài)分布，正態(tài)曲線出現(xiàn)偏斜或分散，峭度也隨之增大。峭度的絕對值越大，說明軸承越偏離自身正常狀態(tài)，故障也越嚴重。當峭度大于8時，很可能已出現(xiàn)了較大的故障。

上述引用的各種特征變量雖然對軸承、齒輪的早期故障較敏感，但是由于風力發(fā)電機傳動鏈結(jié)構(gòu)本身較為復雜，特征變量僅能進行量化和指示，不能對故障進行定位和定性，僅僅起到輔助的參考作用。另一方面，在故障診斷中，工程師還可以通過專業(yè)的波形、頻譜、包絡分析等工具進一步對故障位置進行定位和定性，但這些圖譜又難以形成對復雜的行星齒輪箱故障的定量分析。因此，筆者提出一種齒輪箱累計沖擊檢測算法來解決量化與定位、定性同時進行的問題。

3 齒輪箱累計沖擊檢測算法原理

上述介紹的振動特征變量及相關(guān)的振動分析需要以一定的標準進行參照，而標準并不一定適應于設備運行時的實際狀況，特別是當存在很多外界因素干擾時，上述特征變量便不能很好地發(fā)揮作用。齒輪箱累計沖擊檢測算法檢測較大的碎片顆粒，通過齒輪箱行星級所產(chǎn)生的沖擊信號來診斷故障，同時還能形成一種很有效的趨勢管理。

由于行星齒輪箱的結(jié)構(gòu)較復雜，通常難以利用振動分析來監(jiān)測行星級的運行狀況。無論是太陽輪、行星輪，還是行星軸承，由缺陷所產(chǎn)生的沖擊都是通過多條路徑傳遞到安裝在外環(huán)齒外的加速度傳感器上的，這種復雜的信號傳遞路徑會使振動信號有明顯衰減。此外，當行星輪在太陽輪周圍移動時，不斷改變其齒嚙合位置的同時，也改變了振動傳輸?shù)穆窂?，這種運動更傾向于對故障信號的幅值調(diào)制。

3.1 CIC

無論是在外圈齒輪、行星輪、行星軸承上，還是在太陽輪上產(chǎn)生金屬顆粒剝落的現(xiàn)象，行星部位都會開始出現(xiàn)故障。通常情況下，行星級組件都安裝在一個垂直平面內(nèi)，所以從一個位置剝落的碎片會傾向于落到其它部位的行星級齒槽內(nèi)。

齒輪箱行星級沖擊檢測如圖4所示。當一個碎片顆粒落入齒槽內(nèi)，它可能會被帶入外齒、太陽齒，或任意一個行星齒內(nèi)。當行星繞外環(huán)或太陽環(huán)旋轉(zhuǎn)時，最終齒輪將會移動到一個位置，即碎片顆粒所處的嚙合齒處。當這種情況發(fā)生時，如果碎片顆粒足夠大，它會傾向于強制分開兩個嚙合的齒輪，此時將產(chǎn)生一個沖擊。這一沖擊信號通過整個行星齒輪組傳遞到行星級外齒圈，外齒圈又將沖擊直接傳遞到變速箱的外殼上，此時安裝在變速箱行星級部位的加速度傳感器將檢測到這一信號，檢測到的信號就是一個伴隨著固有頻率逐漸衰減的沖擊信號。檢測器通過數(shù)據(jù)的采集和處理，結(jié)合前述四種特征參數(shù)的特點，實現(xiàn)齒輪箱累計沖擊檢測算法。

圖4 齒輪箱行星級沖擊檢測

CIC只是一個簡單的沖擊信號的次數(shù)累計，是最基本的齒輪箱累計沖擊檢測算法，從0開始每檢測到一個顆粒沖擊時，將會累計一次。隨著時間的推移，這個累計值將顯示行星級部位出現(xiàn)了多少顆粒。

3.2 CIE

CIE是用來衡量沖擊信號幅度和數(shù)量的參數(shù)，信號的振幅與齒槽內(nèi)的顆粒大小有關(guān)，較大的顆粒會產(chǎn)生較大的沖擊振幅。

CIE的趨勢曲線斜率是故障程度的體現(xiàn)，較為陡峭的斜率表示沖擊周期較短或者顆粒較大，而較緩的斜率則表示沖擊發(fā)生的頻率較低或者碎片顆粒較小。

需要引起重視的是，隨著時間推移，當顆粒變得很大并能夠引發(fā)齒輪箱累計沖擊檢測算法報警時，齒輪箱內(nèi)可能已經(jīng)存在嚴重的故障，此時應該停止運行該齒輪箱，并進行開機箱檢查。

3.3 CIR

CIR是統(tǒng)計在最近1h時間段內(nèi)沖擊信號產(chǎn)生次數(shù)的總和。CIR表征為CIC趨勢判定的斜率。較高的CIR表明相對之前某一個階段，較多的顆粒在此時間段內(nèi)通過了該行星部位。

在選型策略中，首要考慮的是價格目標。方案1的價格最低，但由于方案1中電容串聯(lián)的個數(shù)過多，可靠性較差；方案2價格與方案1相差并不多，且耗電量相對較低，重量也在可以接受的范圍內(nèi)。綜合考慮，確定方案2為最佳選型方案。

在運行狀況良好的齒輪箱中，CIC的趨勢曲線是平的，且CIR的數(shù)值為0。CIR適合作為報警參數(shù)，操作員能通過碎片顆粒檢測率的變化發(fā)現(xiàn)運行狀況是否發(fā)生較大變化。

4 齒輪箱累計沖擊檢測算法的應用

內(nèi)蒙古某風電場有十臺風力發(fā)電機安裝了狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)除能夠進行常規(guī)的波形、頻譜、包絡解調(diào)等振動數(shù)據(jù)分析之外，還可以針對風力發(fā)電機傳動鏈中所有軸承、齒輪故障的特征頻率在不同工況條件下分別形成趨勢分析圖，并可獨立設置報警。每臺風力發(fā)電機的檢測參數(shù)達150余種，設置報警點達1500余個。

通過對該風電場1號風力發(fā)電機的遠程數(shù)據(jù)分析，最終得出該風力發(fā)電機行星級故障的診斷結(jié)論，在發(fā)現(xiàn)問題的同時，還協(xié)助安排了檢修計劃，使風力發(fā)電機在重點監(jiān)控下繼續(xù)保持運行，避免了非計劃的停機或可能發(fā)生的二次事故所帶來的發(fā)電量及設備損失，最大限度縮短了維護周期，減少了發(fā)電量損失，并保證了風電場的安全生產(chǎn)運行。

圖5所示為風力發(fā)電機齒輪箱三個測量點的振動峰值趨勢圖，橫坐標表示時間，縱坐標表示振動峰值。從趨勢圖中可以發(fā)現(xiàn)，各點振動峰值在6月4日有突然增大的趨勢，見紅色橢圓圈示部分。從振動能量上可以看到，一級行星齒輪振動變化最明顯，從19.6m/s2上升到78.4m/s2。二級平行齒輪變化也非常明顯，振動從9.8m/s2上升到29.4m/s2。三級平行齒輪變化平緩，無明顯變化。由于一級行星齒輪和二級平行齒輪的峰值上升趨勢均非常明顯，因此還無法確定故障具體的位置。

圖5 齒輪箱振動峰值趨勢圖

圖6所示為一級行星齒輪運行過程中產(chǎn)生沖擊的事件統(tǒng)計趨勢圖，可以發(fā)現(xiàn)CIC、CIE、CIR三個參數(shù)都在同一時刻發(fā)生了很大變化，由此可以說明行星級可能存在著不平滑運行，原因推斷為有磨損掉落的金屬顆粒物存在于相互作用的運動表面。

圖6 一級行星齒輪振動累計沖擊參數(shù)趨勢圖

圖7所示為一級行星齒輪在振動發(fā)生變化前后的兩個不同時間點采集的振動，兩次采集時風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速均為1700～1800r/min，運行工況近似相同。從圖中可以看到振動發(fā)生變化后存在很明顯的尖峰沖擊，而振動發(fā)生變化之前則沒有明顯的尖峰沖擊。

圖7 一級行星齒輪振動時域波形圖

通過對齒輪箱沖擊事件的監(jiān)測、診斷，結(jié)論為該齒輪箱行星級存在問題，建議檢查行星級大齒圈、行星輪磨損情況或是否有異物進入行星級機械結(jié)構(gòu)中。

對齒輪箱使用內(nèi)窺鏡檢測，從而對診斷結(jié)論進行驗證，發(fā)現(xiàn)行星級齒面有輕微磨損。由于發(fā)現(xiàn)較早，及時有針對性地制訂了維護和備件計劃，并使機組在監(jiān)視下繼續(xù)運行發(fā)電。待設備故障逐漸惡化，經(jīng)過評估必須更換時再進行更換。此后又對故障齒輪箱進行了拆解，以便進一步分析故障原因。齒輪箱拆解照片如圖8所示。

圖8 齒輪箱拆解照片

齒輪箱累計沖擊檢測算法及相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)應用于大約20000臺國內(nèi)外風力發(fā)電機上，如上海臨港海上風電場、甘肅玉門昌馬風電場等多個海上及陸上風電場。

5 結(jié)論

齒輪箱累計沖擊檢測算法在風力發(fā)電機齒輪箱趨勢管理與故障診斷方面發(fā)揮了重要作用。該算法通過常規(guī)的振動加速度傳感器實時數(shù)據(jù)采集，得到了齒輪箱沖擊檢測的多個監(jiān)測參數(shù)，如累計沖擊次數(shù)、累計沖擊能量及累計沖擊率，這些參數(shù)可以全面地衡量齒輪箱故障的嚴重程度，并進行獨立報警。在經(jīng)過上萬臺風力發(fā)電機的使用與驗證后，確認通過該算法，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可及早發(fā)現(xiàn)并定位風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)的故障，并提示用戶進行關(guān)注和采取相關(guān)維護工作，這樣可大大降低風力發(fā)電機由非計劃停機所引起的發(fā)電量損失，并為預測性維護提供專業(yè)準確的分析建議。

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