風(fēng)電齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

何小靜

采埃孚（天津）風(fēng)電有限公司 天津 300402

隨著對(duì)風(fēng)能的需求量越來越大，風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模和裝機(jī)容量也在不斷擴(kuò)大，同樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維護(hù)成本也隨之增大。因此，確保風(fēng)電場(chǎng)的高效運(yùn)行，減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本，并提高其可靠性己經(jīng)成為風(fēng)電生產(chǎn)商的重要任務(wù)之一。風(fēng)電齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵設(shè)備，通常安裝在離地面六十至七十米左右、空間非常狹窄的機(jī)艙內(nèi)，造價(jià)非常昂貴。風(fēng)電齒輪箱一旦發(fā)生故障，維修起來不但特別困難，而且維修成本高昂。因此，保證風(fēng)電齒輪箱的健康運(yùn)行可以顯著提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1 風(fēng)電齒輪箱運(yùn)行故障

1.1 齒面磨損

齒面磨損是齒輪嚙合過程中不可避免的物理過程。齒輪嚙合通過齒面之間的相互作用來傳遞動(dòng)力，因此齒輪嚙合過程勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致輪齒接觸面出現(xiàn)磨損。如果齒輪磨損后齒面光滑平坦、沒有宏觀撕裂和損傷、各項(xiàng)公差在允許范圍內(nèi)，這種磨損稱為正常磨損，正常磨損不影響齒輪的正常功能。如果潤(rùn)滑油含有硬質(zhì)顆?；螨X面接觸部位潤(rùn)滑不良或動(dòng)力沖擊大，齒輪嚙合過程往往會(huì)導(dǎo)致齒面出現(xiàn)非正常的早期磨損，這時(shí)齒面的形狀會(huì)發(fā)生改變，齒輪失去正常的功能，齒輪振動(dòng)和噪聲相應(yīng)增大，嚴(yán)重的齒面磨損將導(dǎo)致齒輪永久失效。按照磨損成因的不同，齒面磨損可以分為磨粒磨損、腐蝕磨損和齒輪端面沖擊磨損三種。

1.2 斷齒

斷齒是指齒輪根部在循環(huán)彎曲應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋，裂紋不斷擴(kuò)散從而出現(xiàn)的輪齒斷裂現(xiàn)象。齒輪的受力情況類似于懸臂梁，在齒輪嚙合過程中外部載荷會(huì)在齒輪根部產(chǎn)生循環(huán)彎曲應(yīng)力，當(dāng)循環(huán)彎曲應(yīng)力過大或時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)就會(huì)導(dǎo)致齒根出現(xiàn)裂紋，當(dāng)外部載荷超過齒輪所能承受的外力極限時(shí)輪齒就會(huì)發(fā)生斷裂。過大的沖擊載荷、嚴(yán)重的偏載和材質(zhì)不均勻都會(huì)導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)斷齒[2]。

1.3 疲勞剝落

滾動(dòng)軸承工作時(shí)，滾動(dòng)體在滾道內(nèi)相互擠壓，滾動(dòng)體和滾道既承受載荷又有相互滾動(dòng)，在交變載荷的反復(fù)作用下軸承表面會(huì)出現(xiàn)冷作硬化，造成軸承表面與內(nèi)部應(yīng)力分布不均，在表面最大應(yīng)力處出現(xiàn)微小裂紋，在交變載荷的持續(xù)作用下裂紋逐漸擴(kuò)展到表面，最終形成片狀或點(diǎn)坑狀表面剝落，滾動(dòng)軸承的這種失效形式稱為疲勞剝落。潤(rùn)滑不良、安裝誤差或者載荷分布不均勻都會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)軸承出現(xiàn)疲勞剝落。滾動(dòng)軸承出現(xiàn)疲勞剝落后，振動(dòng)和噪聲水平急劇升高，工作性能急劇下降。

1.4 腐蝕

軸承表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或軸承表面存在電化學(xué)反應(yīng)，從而在軸承表面造成的損傷，這種失效形式成為腐蝕。軸承腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是指環(huán)境中的水汽進(jìn)入軸承從而對(duì)軸承表面造成的腐蝕，或者是潤(rùn)滑油中的某些成分對(duì)軸承表面造成的腐蝕。電腐蝕是指當(dāng)有電流通過滾動(dòng)軸承時(shí)，會(huì)在滾動(dòng)體與滾道接觸點(diǎn)處產(chǎn)生電火花，造成局部熔融現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承表面粗糙不平，腐蝕反應(yīng)物在載荷作用下會(huì)脫落，軸承表面產(chǎn)生凹坑，導(dǎo)致軸承喪失正常工作能力。

2 齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

由于齒輪和軸承是齒輪箱內(nèi)部最容易發(fā)生故障的部件，因此齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)是齒輪和軸承運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)就是從齒輪箱源信息中提取出能夠反映齒輪箱部件運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，對(duì)該特征參數(shù)進(jìn)行跟蹤，對(duì)比不同運(yùn)行階段、不同運(yùn)行狀態(tài)下特征參數(shù)的變化，或者將該特征參數(shù)與已有的故障數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，從而判斷齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)。與其它源信息相比，振動(dòng)信號(hào)更容易獲取，同時(shí)信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展也為振動(dòng)信號(hào)處理提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，因此基于振動(dòng)信號(hào)處理的齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)在齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)中占據(jù)著主導(dǎo)地位。

現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展使得研究人員可以從多個(gè)角度對(duì)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究。在時(shí)域，可以分析振動(dòng)信號(hào)的均值、方差、有效值、偏斜度、峭度和相關(guān)函數(shù)等參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)的變化情況判斷齒輪箱及其部件的運(yùn)行狀態(tài)。在頻域，可以分析齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的幅值譜、功率譜、倒譜和譜峭度等，提取能夠表征齒輪箱及其部件運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，據(jù)此判斷齒輪箱及其部件的運(yùn)行狀態(tài)。此外，由于齒輪箱振動(dòng)信號(hào)通常是非平穩(wěn)信號(hào)，因此可以對(duì)其進(jìn)行時(shí)頻分析，研究振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)特征，據(jù)此判斷齒輪箱及其部件的運(yùn)行狀態(tài)。另外，可以把齒輪箱看作是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)非線性和確定性的變化對(duì)齒輪箱及其部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]。

3 結(jié)語

在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，機(jī)械設(shè)備向著大型化、高性能和智能化發(fā)展，齒輪箱作為變速傳動(dòng)裝置在各類大型機(jī)械設(shè)備中發(fā)揮著越來越重要的作用。齒輪箱由齒輪、滾動(dòng)軸承、軸、箱體、緊固件和油封等部件構(gòu)成。齒輪箱具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通常工作在惡劣的環(huán)境下，再加上制造安裝誤差、載荷變動(dòng)和潤(rùn)滑不良等因素，齒輪箱部件容易出現(xiàn)故障。本文在分析現(xiàn)有風(fēng)電齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)齒輪箱特別是風(fēng)電齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷問題進(jìn)行了研究，提出了一些狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方法[4-5]。