風電增速齒輪箱模擬實驗臺研制

李 崢，盧文秀，褚福磊

（清華大學 機械工程系，北京 100084）

風力發(fā)電機組行星級齒輪由三個行星輪、一個太陽輪、一套內(nèi)齒圈以及行星架組成。行星輪運行的特點是不僅自傳，而且還圍繞太陽輪進行公轉運行，這種特殊的運行方式就決定了對其進行故障診斷具有本身的特點和難點[1-3]。具體來說，行星輪的故障振動信號傳遞路徑比較復雜，具有多條傳遞路徑，多齒嚙合導致振動響應時而增強時而抑制，故障信號極易淹沒在噪聲信號中[4-6]。如何準確定位齒輪故障是行星級齒輪箱研究的重點。風力機齒輪箱的行星齒輪系統(tǒng)中，由于行星輪既存在公轉又存在自轉，因此系統(tǒng)中的太陽輪、行星輪、齒圈的轉頻不一致，以往針對定軸齒輪系統(tǒng)的診斷方法已不適用。同時行星齒輪系統(tǒng)振動傳遞路徑復雜，振動相互耦合，振動信號調(diào)制現(xiàn)象嚴重，如何對其行星齒輪系統(tǒng)進行準確的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是一項意義重大又極具挑戰(zhàn)性的研究[7-9]。

為了解決這一問題，本文研發(fā)了一種風力發(fā)電機齒輪傳動箱故障模擬裝置，包括變頻系統(tǒng)、減速齒輪系統(tǒng)、增速齒輪系統(tǒng)、負載加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。變頻系統(tǒng)分別與減速齒輪系統(tǒng)和負載加載系統(tǒng)相連接，減速齒輪系統(tǒng)與增速齒輪系統(tǒng)通過萬向聯(lián)軸器相連接，數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)可分別與減速齒輪系統(tǒng)、增速齒輪系統(tǒng)相連接。

本文利用采集設備對行星輪進行不同負載下的信號采集，通過頻率信號的對比得出了行星級齒輪頻率相關趨勢，為今后增速齒輪的故障診斷提供了一定的基礎。

1 實驗臺簡介

本風電增速齒輪箱實驗臺結構采用主流的1.5 MW實際風力發(fā)電齒輪箱的結構，模擬風場實際情況而開發(fā)，如圖1所示。整個齒輪傳動系統(tǒng)包括一級行星級齒輪和兩級平行級齒輪。實驗臺采用“背靠背”模式將兩個傳動系統(tǒng)以串聯(lián)方式連接，其中后一級為模擬實際風電齒輪箱的增速齒輪箱。圖2為風電增速齒輪箱實驗臺示意圖，圖3為內(nèi)部結構示意。整個傳動系前段以電機驅動并配有控制器用以模擬實際風場中的變轉速模式，后端為加載器，用以模擬實際工況中的時變載荷特征。齒輪箱的傳動比為57，電機轉速最高為1 500 r/min，行星輪轉速為26.6 r/min。

圖1 風電增速齒輪箱

圖2 風電增速齒輪箱實驗臺結構示意圖

圖3 行星增速箱內(nèi)部結構示意圖

2 實驗臺參數(shù)

2.1 齒輪箱參數(shù)

齒頂高系數(shù)1，齒頂隙系數(shù)0.25。

第三級：高速齒數(shù)23，低速齒數(shù)66。

第二級：高速齒數(shù)21，低速齒數(shù)73。

第一級：太陽輪齒數(shù)17，行星輪齒數(shù)31，齒圈齒數(shù)79。

2.2 傳動比

第一級傳動比為 1/（1+79/17），對于齒圈固定，太陽輪與框架的旋轉方向一致，與行星輪的旋轉方向相反；

第二級傳動比為21/73；

第三級傳動比為23/66；

總傳動比為56.33。

2.3 行星齒輪箱參數(shù)計算

在風力發(fā)電機組的行星齒輪箱里，設定行星輪、太陽輪、齒圈的齒數(shù)分別為pz、sz、rz，傳動比為sci，太陽輪、行星輪和行星架的自轉頻率分別為 sf、 pf和f，其故障診斷中的嚙合頻率 mf與故障特征頻率 pff是非常重要的參數(shù)，可以通過觀察疑似故障位置附近的 mf與 pff相關的邊頻譜線的分布情況，來判斷其具體的故障位置和故障類型。下面主要介紹行星齒輪箱各個構件的故障特征頻率以及嚙合頻率的計算方法。

圖4為行星齒輪傳動示意圖。

圖4 行星齒輪傳動示意圖

根據(jù)齒輪箱的各個參數(shù)，行星齒輪箱傳動比為：

由圖4可知，行星輪與內(nèi)齒圈的嚙合點為點C，行星輪與太陽輪的嚙合點為點B，則：

3 行星齒輪特征頻率分析

行星齒輪的故障特征頻率定義為在單位時間內(nèi)行星故障齒輪與相嚙合齒輪的嚙合次數(shù)，即與太陽輪和內(nèi)齒圈的嚙合次數(shù)，也就是行星輪故障齒輪相對于行星架的旋轉頻率以及倍頻等。本實驗室的試驗臺是由一個單級行星齒輪箱和兩極平行級齒輪箱構成的，行星輪有兩種齒輪嚙合副，分別是行星輪與內(nèi)齒圈、行星輪與太陽輪的嚙合，由于它們擁有相同的嚙合頻率，因此在后面分析故障信號的特征頻率的時候要注意區(qū)分這兩種故障信號，否則容易出現(xiàn)判斷失誤的現(xiàn)象。

圖5為行星級齒輪箱的簡化運動圖，這樣就可以清楚和直觀地看到各個行星齒輪的運動方式，從而得出各個齒輪的運動方程式，然后根據(jù)已知的參數(shù)來計算行星輪的故障特征頻率。圖 5(a)是行星輪繞太陽輪軸進行公轉；圖 5(b)是行星輪繞行星軸自轉；圖 5(c)是行星輪的實際合成的運動，是前兩個運動的結合。當行星輪繞行星輪軸轉過β時，其繞太陽輪軸轉過α,即α+β=γ。當行星輪發(fā)生故障的齒與太陽輪嚙合時，會產(chǎn)生相應的振動沖擊。假設發(fā)生故障的行星齒輪與太陽輪相嚙合的時候，正好旋轉到傳感器正下方，此時振動信號的傳遞路徑是最短的，所以振動信號的損失也是最小的，便于對其振動信號進行處理。行星齒輪經(jīng)過時間 t1再次與太陽輪嚙合，其振動沖擊頻率就是即：

圖5 行星輪與太陽輪嚙合示意圖

4 實驗研究

采集設備為PAK噪聲振動測試分析系統(tǒng)，見圖6；加速度傳感器為Dytran 3056B1，見圖7。

圖6 噪聲振動測試分析系統(tǒng)

圖7 加速度傳感器

根據(jù)本實驗臺的具體參數(shù)等，為盡量覆蓋行星齒輪箱的所有振動頻率，設定的采樣頻率為16 384 Hz，由于齒輪箱的行星級轉速很慢，行星級的輸入端的最高轉速為 26.6 r/min，因此為了采集較全面的時域數(shù)據(jù)，設置的采樣時間為60 s。

5 信號分析與處理

圖 8是變頻器在 50 Hz下，對應電機轉速為1 500 r/min，三種情況的信號在 8種負載下的幅頻圖對比。三種情況分別是無故障、剝落故障、斷齒故障。負載范圍為0.1～0.4 MPa。

圖8 行星齒輪在8種負載下，三種情況的信號幅頻圖對比

通過圖8的對比發(fā)現(xiàn)：行星齒輪的斷齒信號在幅頻圖上觀察還是比較明顯的，尤其是在行星輪與內(nèi)齒圈和行星輪與太陽輪的嚙合頻率的邊頻帶，可以明顯看到被調(diào)制的邊頻帶，50 Hz下的行星齒輪故障特征頻率為pff=1.15 Hz，在嚙合頻率mf=34.43 Hz的兩側分別有33.28、35.58、32.12、36.74 Hz等調(diào)制頻率。

6 結語

本文研制了風電增速齒輪箱實驗臺，并針對風力發(fā)電機組行星輪進行了相關實驗研究，通過噪聲振動測試分析系統(tǒng)，采集到不同轉速下、不同加載工況下的風電齒輪箱的振動信號，并對不同工況下的行星輪風電齒輪箱實驗數(shù)據(jù)進行了分析和對比，研究了頻譜圖隨負載的變化趨勢，對今后相關的數(shù)據(jù)分析及處理有一定的指導作用。該風電增速齒輪箱實驗臺能夠真實、有效地模擬風電實際運行工況，為風電增速齒輪箱研究提供了一定的實驗基礎。