振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障診斷中的應(yīng)用

趙萬東

摘要：振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的形成，在風(fēng)力發(fā)電中起到至關(guān)重要的作用。這套系統(tǒng)由本機(jī)監(jiān)測(cè)、風(fēng)場(chǎng)集中監(jiān)測(cè)、以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)三個(gè)方面所形成的。本機(jī)是通過采集系統(tǒng)的各個(gè)零部件所發(fā)出的工作信號(hào)來監(jiān)測(cè)的，然后通過系統(tǒng)將收集的信息發(fā)送到場(chǎng)地集中檢測(cè)中心。在場(chǎng)地檢測(cè)中心系統(tǒng)完成信息儲(chǔ)存，顯示分析完成本機(jī)狀況后再將信息傳送到遠(yuǎn)程終端，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的群體化管理，以及本機(jī)的故障分析和設(shè)備檢修等問題。

關(guān)鍵詞：檢測(cè)技術(shù);故障診斷;如何應(yīng)用

前言：振動(dòng)監(jiān)測(cè)是齒輪箱的最初故障檢測(cè)必備的一項(xiàng)重要監(jiān)測(cè)方式。風(fēng)電在全球正在飛速的發(fā)展，對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，風(fēng)電設(shè)備正在成倍不斷地增長(zhǎng)著。運(yùn)行安全問題也在行業(yè)內(nèi)逐步的得到完善。齒輪傳動(dòng)機(jī)組是風(fēng)動(dòng)電機(jī)的重要組成部分，與傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)機(jī)組比較風(fēng)電機(jī)組的增速齒輪箱有著傳動(dòng)功率大，載荷繁瑣，運(yùn)行工況良好等特點(diǎn)。

一、什么是檢測(cè)系統(tǒng)

由于受到設(shè)計(jì)條件的限制，尤其是傳動(dòng)軸的載荷狀態(tài)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的特性研究不足等原因，齒輪箱的實(shí)際壽命與實(shí)際使用壽命有著很大差異。為此，齒輪箱成為風(fēng)電機(jī)組中故障率較高，造成發(fā)電量損失較大的部件之一。因此，將振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用在齒輪傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)以及故障診斷方面。當(dāng)零部件發(fā)生變化時(shí)，部件發(fā)生劇烈的變化，結(jié)構(gòu)振動(dòng)也將發(fā)生相對(duì)的變化。運(yùn)用傳感器對(duì)齒輪箱體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提取故障中的信號(hào)特征，可以提早現(xiàn)故障，并且對(duì)故障的部位以及受損程度、故障的發(fā)展做出準(zhǔn)確的分析，為維護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行，有效的安排維護(hù)以及保養(yǎng)等有效信息。

二、系統(tǒng)的組成及其作用

1、風(fēng)電機(jī)組的基本組成

風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)由三個(gè)方面組成。本機(jī)監(jiān)測(cè)模塊、風(fēng)電場(chǎng)集中檢測(cè)系統(tǒng)、以及遠(yuǎn)程診斷檢測(cè)中心等組成。本機(jī)監(jiān)測(cè)模塊是安裝在機(jī)體內(nèi)部的一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是為了完成機(jī)體的信號(hào)采集所設(shè)置的一個(gè)模塊。本機(jī)監(jiān)測(cè)模塊采集信號(hào)以后會(huì)將信息發(fā)送到風(fēng)電場(chǎng)集中檢測(cè)診斷系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)集中檢測(cè)診斷系統(tǒng)會(huì)對(duì)機(jī)組信息進(jìn)行儲(chǔ)存，并且顯示分析故障原因。為此，就可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷中心進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精細(xì)化管理。

2、本機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組都會(huì)有一套本機(jī)監(jiān)測(cè)模塊，本機(jī)檢測(cè)模塊其主要作用就是完成傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)，并且將信號(hào)進(jìn)行采集傳輸。

傳感器信號(hào)通過電纜輸入到檢測(cè)當(dāng)中，使用軟件操控實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)信號(hào)采集，并且分析，通過網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸?shù)斤L(fēng)電場(chǎng)集中檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中。通常情況下，監(jiān)測(cè)模塊有兩種模式可以選擇：多通道模塊，可以同時(shí)采集多條瞬變振動(dòng)信號(hào)以及其他的緩慢信號(hào);單通道模塊：只有一條輸入通道，可以根據(jù)需要組合成多條通道的檢測(cè)模塊。

監(jiān)測(cè)模塊每一套通道都有著一定的動(dòng)態(tài)范圍，一般情況下動(dòng)態(tài)范圍會(huì)大于60dB;每個(gè)通道都會(huì)有模擬信號(hào)放大，以及抗擊混波等功能。放大的倍數(shù)和低通濾波在一定的范圍是可調(diào)的。

由于齒輪箱的振動(dòng)性比較復(fù)雜，僅僅依據(jù)其特征是無法進(jìn)行做出準(zhǔn)確的故障診斷的，必須要通過振動(dòng)信號(hào)的更深入的分析，這樣才可以查找到最早的故障特征，才能精準(zhǔn)的診斷故障，只有這樣才會(huì)達(dá)到預(yù)測(cè)的目的。

3、風(fēng)電場(chǎng)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過檢測(cè)模塊傳輸?shù)男盘?hào)信息來進(jìn)行保存以及分析的一個(gè)程序，其中包括如下幾點(diǎn)：

數(shù)據(jù)的傳送以及管理。通過本機(jī)檢測(cè)模塊以無線網(wǎng)絡(luò)或者定期傳輸?shù)确绞竭M(jìn)行信號(hào)的傳送儲(chǔ)存，進(jìn)而形成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，將信息統(tǒng)一管理，然后通過光纖網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行溝通。

監(jiān)測(cè)與顯示。通常會(huì)以圖形變換、數(shù)據(jù)報(bào)表、以及曲線圖等方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以選擇顯示機(jī)組的信號(hào)變化，通過趨勢(shì)、波形、以及圖形的差異來判斷故障是否存在。

對(duì)接受的信號(hào)進(jìn)行分析。對(duì)于波形以及特征等問題進(jìn)行提取，將信號(hào)概率進(jìn)行分布，以及分析;將振動(dòng)信號(hào)頻率和功率方面進(jìn)行分析，對(duì)齒輪和滾動(dòng)軸承一些高級(jí)信號(hào)進(jìn)行分析，其中包括時(shí)頻分析，小波分析，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒治?，以及?dú)立成分分析等等。

故障診斷功能。系統(tǒng)中含有故障診斷庫(kù)，可以對(duì)故障進(jìn)行自動(dòng)識(shí)取，大大的提高了故障診斷的識(shí)別性以及診斷的可靠性，實(shí)現(xiàn)了故障診斷的壓縮提取以及故障模式的識(shí)別?？梢缘贸龉收显\斷的可信程度，使診斷結(jié)果具有依據(jù)，并且會(huì)給出合理的處理意見，從而提高了設(shè)備檢修的便捷。

4、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

通過網(wǎng)絡(luò)將每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整合為一個(gè)整體，集中檢測(cè)系統(tǒng)通過服務(wù)器將數(shù)據(jù)定時(shí)定向的發(fā)送至檢測(cè)中心當(dāng)中，遠(yuǎn)程中心可以隨時(shí)隨地對(duì)設(shè)備的狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以更好的了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，對(duì)有異常情況的機(jī)組進(jìn)行故障篩查。要知道齒輪變速箱的準(zhǔn)確故障，就要通過多種渠道對(duì)設(shè)備進(jìn)行綜合的篩查分析，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)的提取，檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，這樣可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常，并及時(shí)的上報(bào)與檢修。

二、實(shí)際操作的應(yīng)驗(yàn)

在風(fēng)電場(chǎng)安裝研發(fā)的系統(tǒng)，將風(fēng)電機(jī)組的信號(hào)進(jìn)行采集，然后傳送到集控中心，集控中心對(duì)采集的信息做詳細(xì)的測(cè)試與驗(yàn)證。在驗(yàn)證的過程中，可以選用兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，一臺(tái)機(jī)器為正常狀態(tài)（稱其為A機(jī)組），另一臺(tái)機(jī)組齒輪箱輪軸存在故障（稱其為B機(jī)組），所監(jiān)測(cè)的風(fēng)電機(jī)組為 1 500 kW 變速恒頻雙饋機(jī)組，投入運(yùn)行時(shí)間2 a左右。該機(jī)組的風(fēng)輪主軸采用前后軸承支撐結(jié)構(gòu)，齒輪箱為 2 級(jí)行星+1 級(jí)平行軸結(jié)構(gòu)。振動(dòng)傳感器分別安裝在主軸軸承座、齒輪箱和發(fā)電機(jī)組座上。

首先要登陸系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)以后，即可看到本次的登錄用戶，進(jìn)入系統(tǒng)以后，首先要對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行配置。在完成設(shè)置后要進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，在機(jī)組節(jié)點(diǎn)中選中機(jī)組的總貌圖展示了機(jī)組實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)及報(bào)警狀態(tài)?？偯矆D是在服務(wù)器端使用總貌圖配置工具配置的?？偯矆D的特征值也是使用總貌圖配置工具添加的標(biāo)簽組。特征值采集，是用于表現(xiàn)機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的屬性。此處的特征值根據(jù)系統(tǒng)配置—報(bào)警定義配置里設(shè)置的注意、危險(xiǎn)值來報(bào)警。趨勢(shì)分析，是查詢?cè)摍C(jī)組所有測(cè)量位置下特征值數(shù)據(jù)的歷史趨勢(shì)圖。查詢條件中，工況默認(rèn)為全部。采集單元監(jiān)測(cè)，是用來展示采集單元采集數(shù)據(jù)以及采集設(shè)備是否正常。

通過振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際操作得出：

1、此套系統(tǒng)是通過監(jiān)測(cè)以及分析振動(dòng)信號(hào)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)以及故障特點(diǎn)進(jìn)行分析以及維護(hù)的，可以高效的識(shí)別細(xì)小的故障信息，能夠滿足風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)以及故障診斷等要求。此套系統(tǒng)可以在硬件上實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集以及傳輸，通過數(shù)據(jù)調(diào)整可以選擇最優(yōu)質(zhì)的采集方式，大大提高了采集數(shù)據(jù)的重要性以及分析數(shù)據(jù)的快捷能力。

2、風(fēng)電機(jī)組齒輪箱一般會(huì)呈現(xiàn)典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征。振動(dòng)信號(hào)中轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)頻率與齒輪的嚙合頻率以及波動(dòng)成分會(huì)十分的明顯，這些成分的強(qiáng)度會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化發(fā)生變化。這種信號(hào)特征會(huì)將信號(hào)提取帶來一定的困難。

結(jié)語：

經(jīng)過對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障的研究，通過傳感器采集不同情況下的信號(hào)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確的分析出齒輪箱的故障頻率，判斷故障發(fā)生的位置。在故障診斷時(shí)相同型號(hào)的機(jī)組可以參考比較，另一臺(tái)機(jī)組存在明顯的調(diào)制現(xiàn)象時(shí)，表示該機(jī)組處于異常高速的狀態(tài)，可能就存在著故障。

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