風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷方法及應(yīng)用研究

谷泉

（遼寧科技學(xué)院，遼寧 本溪 117004）

1 風(fēng)力發(fā)電齒輪箱故障診斷方法研究現(xiàn)狀

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，我國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電齒輪箱故障診斷方法的研究也更加深入。當(dāng)前所常用的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱故障診斷方法共有三種，而通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電齒輪箱故障診斷方法的原理進(jìn)行分類，其故障診斷方法大致可以分為三類，其分別是振動(dòng)分析法、油液分析法以及聲發(fā)射技術(shù)。眾所周知，齒輪箱及其軸承在運(yùn)動(dòng)過程中難免會(huì)出現(xiàn)一些振動(dòng)，而振動(dòng)分析法便是通過對(duì)齒輪箱及軸承的振動(dòng)情況進(jìn)行分析，從而對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱進(jìn)行故障診斷的方法。振動(dòng)分析法主要是依靠振動(dòng)感測(cè)器對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中齒輪箱的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的。若齒輪箱的振動(dòng)幅度及頻率過高，那么則表示齒輪箱出現(xiàn)了故障。與振動(dòng)分析法所不同的是，油液分析法是依據(jù)齒輪箱中的油液成分進(jìn)行分析，從而判斷其是否出現(xiàn)故障的診斷方法。當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)故障導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生摩擦?xí)r，其油液中便會(huì)出現(xiàn)磨粒，而工作人員可以通過對(duì)磨粒的大小及數(shù)量進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱的故障診斷。聲發(fā)射技術(shù)是一種無損機(jī)械診斷技術(shù)，該技術(shù)可以直接通過對(duì)應(yīng)力波進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的診斷。在上述三種診斷方法中，最常用的便是振動(dòng)分析方法。這是由于油液分析法往往具有較強(qiáng)的局限性，而聲發(fā)射技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)，但其檢測(cè)準(zhǔn)確度卻往往較低。在本文中所提到的三種故障診斷方法便均屬于振動(dòng)分析法。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)齒輪箱的故障類型及振動(dòng)特性分析

2.1 齒輪箱的故障類型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的齒輪箱是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其主要由行星太陽(yáng)輪、中間軸以及行星輪等零部件所組成。由于在齒輪箱中其各零部件的耦合程度較高，因此在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中齒輪箱難免會(huì)出現(xiàn)一些故障。當(dāng)某一齒輪或軸承出現(xiàn)故障時(shí)，其不僅會(huì)影響風(fēng)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)更會(huì)對(duì)齒輪箱整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。而在齒輪箱中，最常見的故障類型便是軸承故障以及齒輪故障。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的齒輪箱在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中其軸承與齒輪的故障率高達(dá)79%，其齒輪箱個(gè)部件故障率如表1所示。

表1 齒輪箱個(gè)部件故障率

通過上表數(shù)據(jù)可以得知，齒輪與軸承為齒輪箱的主要故障形式，因此為了提升工作人員對(duì)齒輪箱的診斷準(zhǔn)確率，其在對(duì)齒輪箱進(jìn)行故障診斷時(shí)，需加強(qiáng)對(duì)齒輪箱中齒輪與軸承的診斷。

2.2 齒輪的失效形式及振動(dòng)信號(hào)特征分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱中的齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)保持一個(gè)非現(xiàn)象的系統(tǒng)性振動(dòng)，因此工作人員便可以根據(jù)齒輪的振動(dòng)情況對(duì)其齒輪箱是否發(fā)生故障進(jìn)行判斷。與此同時(shí)，齒輪在故障時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的故障特征。在齒輪的失效形式中最常見的便是斷齒。斷齒是指齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于受到較大的壓力而出現(xiàn)裂紋或產(chǎn)生斷齒。在出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象時(shí)，齒輪的振動(dòng)頻率往往會(huì)出現(xiàn)一定的間隔，而工作人員便可以根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的頻率間隔判斷齒輪是否出現(xiàn)了斷齒現(xiàn)象。其次，齒輪箱中的齒輪在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過程中也有可能會(huì)出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象。齒輪的磨損會(huì)直接導(dǎo)致齒輪的咬合面尺寸發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振幅產(chǎn)生較大的變化。最后，齒輪在長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中還可能會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕的現(xiàn)象。點(diǎn)蝕是指齒輪受到重復(fù)性的沖擊進(jìn)而導(dǎo)致齒面產(chǎn)生裂縫等損壞。點(diǎn)蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)將會(huì)使其中高頻譜線的增幅較為明顯。

2.3 滾動(dòng)軸承的失效形式和振動(dòng)特性

滾動(dòng)軸承與齒輪相同均是齒輪箱中重要的零部件之一，與齒輪所不同的是，滾動(dòng)軸承主要由內(nèi)圈、外圈以及滾動(dòng)體等零部件所組成。在齒輪箱的使用過程中，滾動(dòng)軸承同樣有可能會(huì)產(chǎn)生較大的耗損，進(jìn)而導(dǎo)致其出現(xiàn)故障。滾動(dòng)軸承最常見的失效形式大致有四種，其分別是磨損失效、疲勞失效以及腐蝕失效與斷裂失效。其中磨損失效主要是指滾動(dòng)軸承由于長(zhǎng)時(shí)間的磨損而產(chǎn)生的故障，疲勞失效則是指滾動(dòng)軸承在使用過程中起滾動(dòng)體出現(xiàn)脫皮以及裂紋所造成的軸承失效。腐蝕失效則是指滾動(dòng)軸承中的零部件由于受到水蒸氣以及腐蝕性液體腐蝕所導(dǎo)致滾動(dòng)軸承失效。最后斷裂失效是指滾動(dòng)軸承由于自身質(zhì)量等原因所產(chǎn)生的斷裂故障。與齒輪相似，滾動(dòng)軸承在出現(xiàn)失效現(xiàn)象時(shí)，也會(huì)對(duì)其振動(dòng)頻率產(chǎn)生不同程度的影響，而工作人員便可以據(jù)此對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行診斷。

3 當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷方法

3.1 集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)和Tageaer能量算子解調(diào)的齒輪箱故障診斷

在上文中曾提到，齒輪箱中齒輪與滾動(dòng)軸承在運(yùn)動(dòng)時(shí)均

會(huì)產(chǎn)生非線性的振動(dòng)，而經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解技術(shù)便可以將其非線性的振動(dòng)型號(hào)分解為多個(gè)IMF振動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其的精準(zhǔn)分析。但由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)在對(duì)非線性振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解與分析過程中還會(huì)出現(xiàn)端點(diǎn)效應(yīng)，進(jìn)而影響其數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度。因此，為了進(jìn)一步加強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)技術(shù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析準(zhǔn)確度，工作人員在利用該技術(shù)對(duì)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，其還需要在原信號(hào)中重復(fù)添加白噪聲，從而抑制其端點(diǎn)效應(yīng)等弊端。此外，在齒輪箱振動(dòng)過程中還極有可能會(huì)導(dǎo)致其信號(hào)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，因此為提升工作人員的診斷準(zhǔn)確度，工作人員還要對(duì)已測(cè)量的IMF信號(hào)進(jìn)行篩選，并結(jié)合Teager能量算子解調(diào)技術(shù)對(duì)其信號(hào)分量進(jìn)行細(xì)致診斷。

這一故障診斷方式不僅僅可以有效避免EMD中端點(diǎn)效應(yīng)等弊端對(duì)齒輪箱故障診斷結(jié)果的影響，同時(shí)更可以基于齒輪箱的瞬時(shí)振幅信號(hào)對(duì)其進(jìn)行故障診斷。

3.2 基于改進(jìn)K均值算法的齒輪箱故障診斷

雖然基于EEMD方法與模式識(shí)別方法相結(jié)合的齒輪箱故障診斷方式可以應(yīng)用于多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷中，并且其也有效降低了端點(diǎn)效應(yīng)對(duì)齒輪箱故障診斷準(zhǔn)確度的影響。但這一故障診斷方式對(duì)于樣本訓(xùn)練的質(zhì)量與數(shù)量均具有較高的要求。這一診斷方法的主要原理便是依據(jù)主成分分析法對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同故障程度的檢測(cè)與診斷。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中極為重要的零部件之一，若其發(fā)生故障將會(huì)直接影響風(fēng)力發(fā)電過程中風(fēng)能與電能的轉(zhuǎn)化。因此，為了避免此類問題的出現(xiàn)，工作人員需要定期對(duì)齒輪箱進(jìn)行檢測(cè)并在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)對(duì)其進(jìn)行故障診斷。當(dāng)前最常用的故障診斷方式便是振動(dòng)分析法，在這一方法中，集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)和Tageaer能量算子解調(diào)的齒輪箱故障診斷以及基于改進(jìn)K均值算法的齒輪箱故障診斷均是較為常用的齒輪箱故障診斷方式。與其余故障診斷方式相比，上述兩種方式不僅僅適用范圍更廣，同時(shí)診斷準(zhǔn)確率也更高。但集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)和Tageaer能量算子解調(diào)的齒輪箱故障診斷這一診斷方式仍具有樣本需求過高等劣勢(shì)，相信隨著科技的逐步發(fā)展，工作人員將會(huì)對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械診斷方式進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。