風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱建樂

風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝地點(diǎn)一般都安排在風(fēng)力較大的地方，如海邊、山頂及無障礙物的沙漠等，工作環(huán)境比較惡劣。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密，在不同工況中的振動情況也比較復(fù)雜，相比較于其他部件，容易出現(xiàn)故障（齒輪箱故障占風(fēng)機(jī)故障的1/5）。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱結(jié)構(gòu)

1） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱結(jié)構(gòu)。主要包括齒輪箱箱體、齒輪傳動部件、軸承及配套的潤滑系統(tǒng)。傳動部件包含行星架、輸入軸、太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈、中間軸和輸出軸。根據(jù)動力傳動方式的不同，齒輪箱的結(jié)構(gòu)可分為定軸齒輪傳動、行星齒輪傳動，以及兩者的組合傳動形式3 大類。其中齒輪箱的箱體為齒圈軸提供支撐，把葉輪的轉(zhuǎn)動力傳遞給輸出軸，承受著內(nèi)部和外部多個(gè)載荷；齒輪箱內(nèi)部包含3 行星輪和兩級定軸齒輪傳動。一級行星齒輪傳動加二級定齒輪傳動齒輪箱結(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1 齒輪箱結(jié)構(gòu)

2） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱工作機(jī)理。葉輪在風(fēng)的作用下轉(zhuǎn)動，其輪轂轉(zhuǎn)動帶動齒輪箱的輸入軸，進(jìn)而帶動行星架轉(zhuǎn)動。行星與輪箱體上的內(nèi)齒圈以及太陽輪嚙合，在實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)，完成第一輪增速；然后太陽輪帶動同軸大齒輪和中間軸上的小齒輪嚙合轉(zhuǎn)動，進(jìn)而完成第二級增速；中間軸和輸出軸的齒輪嚙合轉(zhuǎn)動形成第三級增速。通過三級增速，能以100 的傳動比帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文主要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種風(fēng)機(jī)齒輪箱故障診斷專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成如圖2 所示。系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分有振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電壓轉(zhuǎn)換電路與數(shù)據(jù)采集卡。其中，轉(zhuǎn)速傳感器采集的轉(zhuǎn)速信號用于計(jì)算一倍頻。軟件是構(gòu)成該系統(tǒng)的重要組成部分，采用Matlab 和Labview 來開發(fā)。其中軟件部分的主要模塊功能如下：1） 傳統(tǒng)時(shí)頻域分析模塊。如Hilbert 包絡(luò)譜分析、功率譜分析等，可以用來初步判斷風(fēng)機(jī)齒輪箱的故障位置。2） 現(xiàn)代分析模塊。利用小波包分解技術(shù)將信號中的高低頻信息分解出來，得到不同頻段的信號。將不同頻段信號的尺度因子和小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，再求出重構(gòu)后不同頻段的能量值，用不同頻段能量值在總能量中占的比例組成特征向量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入。通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成輸入和輸出的非線性映射，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的智能識別。

圖2 系統(tǒng)框圖

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用故障診斷方法

3.1 傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)的較原始的診斷機(jī)械系統(tǒng)故障就是利用頻譜分析方法處理，即借助傅里葉級數(shù)利用相關(guān)信號特征為基礎(chǔ)，特別是振動信號和功率信號，檢測故障。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

該方法是相對敏感的一種方法，對動物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征進(jìn)行一定程度的效仿，在利用分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行合理地有經(jīng)驗(yàn)地計(jì)算以及掌握，只有了解到相關(guān)故障的內(nèi)在聯(lián)系，才能更好地實(shí)現(xiàn)信息得到良好的處理的目的。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是更人性化并細(xì)節(jié)地利用模型眾多節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步掌握其內(nèi)部聯(lián)系，同時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也逐漸被越來越多的人接受，并成熟地發(fā)展出許多類似于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的分支。

3.3 齒面微腐控制

齒輪箱如果長期處于潤滑不良的狀態(tài)，齒面就會和空氣反應(yīng)形成齒面微腐情況。要想對齒面微腐進(jìn)行有效控制，首先應(yīng)檢查齒輪箱的潤滑油狀態(tài)，是否存在油溫過高及油液混入雜物等情況，防止因?yàn)闈櫥蜐櫥坏轿欢鸬凝X面微腐。

3.4 基于振動幅值調(diào)制理論的診斷手段

齒輪箱長期承受著周期性的載荷，會對振動的幅值產(chǎn)生一定影響，為此可以對振動幅值進(jìn)行調(diào)制，以診斷齒輪箱的故障。診斷過程是：以齒輪旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速信號作為調(diào)制波的頻率信號，以齒輪嚙合頻率信號作為載波的頻率信號。在齒輪承受載荷的時(shí)候，齒輪的轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)一定波動，形成振動系統(tǒng)里頻率的調(diào)制。一旦齒輪出現(xiàn)故障，就會出現(xiàn)頻率調(diào)制，反映在頻譜上就是邊頻信號。

4 結(jié)語

綜上所述，要充分發(fā)揮每種檢測技術(shù)的優(yōu)勢，并實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，取長補(bǔ)短、優(yōu)勢互補(bǔ)，從而獲得風(fēng)機(jī)齒輪箱運(yùn)行過程中完整的信息鏈，達(dá)到更為準(zhǔn)確判斷風(fēng)機(jī)齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)和故障的目的。