朱才朝，胥 良，馬 飛，徐向陽，陳 爽

(1.重慶大學(xué) 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030;2.重慶望江工業(yè)有限公司，重慶 400071)

風(fēng)電齒輪增速箱作為風(fēng)力發(fā)電機組的關(guān)鍵組件之一，其振動特性將直接影響整個風(fēng)力發(fā)電機組的各項性能。Kahraman等[1]利用振動測試的方法研究了在間隙、周期時變參數(shù)和外部激勵聯(lián)合作用下齒輪副系統(tǒng)的非線性動態(tài)響應(yīng)，并驗證了躍遷現(xiàn)象、亞諧波共振和混頻現(xiàn)象的存在;Luisa等[2]為瞬變風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機的振動信號設(shè)計了一種等角度重采樣算法，結(jié)果表明對勻變速運動下的風(fēng)機主軸振動信號是適用的[2];徐向陽等[3]以錘擊法為基礎(chǔ)建立了一套齒輪箱固有特性測試系統(tǒng)，分別研究了小傾角和大功率船用齒輪箱的動態(tài)特性。目前，國內(nèi)外對風(fēng)電場風(fēng)模型進行了相關(guān)研究，并利用異步交流電機模擬風(fēng)輪建立實驗室環(huán)境下的風(fēng)力機模擬平臺和風(fēng)電齒輪箱室內(nèi)臺架測試試驗臺[4－7]，但是實驗室環(huán)境終究不能完全準確模擬風(fēng)場隨機時變風(fēng)載，故開展風(fēng)場中風(fēng)機振動特性的實時在線測試研究顯得十分必要[8－9]。

論文對風(fēng)電齒輪箱遠程在線振動測試分析討論，對某兆瓦級風(fēng)電齒輪箱進行實時在線測試和評價，為兆瓦級風(fēng)電齒輪箱設(shè)計開發(fā)和動態(tài)性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 兆瓦級風(fēng)電齒輪箱基本結(jié)構(gòu)及傳動原理

某2.0 MW水平軸風(fēng)力發(fā)電機組主要性能參數(shù)如表1所示，該風(fēng)機主軸采用單軸承支撐，其配置的風(fēng)電齒輪箱采用一級行星+兩級平行軸齒輪傳動形式，其傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1(a)所示，傳動系統(tǒng)三維實體裝配模型如圖1(b)所示。圖中太陽輪s、行星輪p和內(nèi)齒圈r構(gòu)成行星級齒輪副，行星級內(nèi)齒圈固定，行星架與主軸采用鎖緊盤連接構(gòu)成行星級輸入端;太陽輪軸與傳動軸Ⅲ通過內(nèi)花鍵連接構(gòu)成行星級的輸出端，行星齒輪采用柔性銷軸支撐;齒輪1和齒輪2構(gòu)成中間級齒輪副，齒輪3和齒輪4組成高速級齒輪副;行星級為斜齒輪內(nèi)嚙合傳動，中間級和高速級為斜齒輪外嚙合傳動。

風(fēng)能帶動葉片軸旋轉(zhuǎn)，運動和動力通過主軸Ⅰ傳遞給齒輪箱行星架，經(jīng)過齒輪箱行星級和兩平行級增速后，由軸Ⅴ輸出高轉(zhuǎn)速小扭矩運動，軸Ⅴ通過彈性聯(lián)軸器帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。齒輪箱傳動系統(tǒng)主要性能結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。?

表1 風(fēng)機性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of wind turbine

圖1 風(fēng)電齒輪箱出動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Transmission system of wind turbine gearbox

表2 兆瓦級風(fēng)電齒輪箱傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of the megawatt level wind turbine

2 兆瓦級風(fēng)電齒輪箱遠程在線實時測試方法

由于風(fēng)電齒輪箱特殊的工作環(huán)境，傳統(tǒng)的近距離在線測試方法對其不再適用。目前，國內(nèi)外正在積極研發(fā)適用于兆瓦級風(fēng)電齒輪箱遠程在線監(jiān)測的測試系統(tǒng)，如瑞典SKF公司的WindCon狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和新疆風(fēng)能有線責(zé)任公司開發(fā)的“通用風(fēng)電場遠程監(jiān)控系統(tǒng)”。論文基于WindCon智能采集單元組建一套風(fēng)機遠程在線實時監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 遠程實時在線測試方法

圖2所示為風(fēng)電齒輪箱遠程在線測試方法，由信號拾取裝置、信號遠程傳送裝置和信號在線監(jiān)控和儲存裝置。安裝在齒輪箱上的振動加速度傳感器與固定在機艙壁上的WindCon智能采集單元構(gòu)成信號拾取裝置，完成對齒輪箱特征信號的采集;智能采集單元通過直連網(wǎng)線將采集的數(shù)據(jù)傳送到固定在機艙外殼上的CDMA無線路由器，路由器以GPRS(通用分組無線服務(wù)技術(shù))方式將數(shù)據(jù)發(fā)射到Internet網(wǎng)絡(luò)，借助Internet完成數(shù)據(jù)的遠程傳送。遠程傳送的通訊方式很大程度上決定了遠程在線測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，常用的通訊方式有現(xiàn)場總線、光纖通訊等有線通訊方式和GSM，GPRS、3G等無線通訊方式。

圖2 遠程測試系統(tǒng)框圖和測試現(xiàn)場Fig.2 Diagram of remote experiment system and test site

2.2 振動傳感器選擇及布置

兆瓦級風(fēng)電齒輪傳動系統(tǒng)采用滾動軸承支撐，齒輪箱中齒輪、軸或者軸承發(fā)生故障時，其振動信號經(jīng)過軸和軸承最終傳遞至箱體軸承座，所以在軸承座位置布置測點，振動信號的衰減和畸變最小[10－11]，并且能夠全面反應(yīng)齒輪箱振動性能。齒輪箱為三點(左、右側(cè)扭力臂及主軸軸承)支撐，為反映齒輪箱箱體支撐情況，在齒輪箱左、右側(cè)扭力臂處布置了測點[12]。此外，安裝齒輪箱的支撐臺架由偏航軸承支撐，塔筒晃動和齒輪箱振動均會導(dǎo)致支撐臺架的振動，影響齒輪箱的工作性能，故在支撐臺架上布置一個測點。除振動測點外，在齒輪箱高速軸安裝電渦流傳感器采集高速軸轉(zhuǎn)速信號;風(fēng)場風(fēng)速信號和發(fā)電機功率信號也一并接入采集儀。風(fēng)力發(fā)電機詳細測點布置如圖3所示。

風(fēng)機傳動系統(tǒng)和支撐臺架采用彈性連接，傳動系統(tǒng)高頻振動衰減較快，且風(fēng)機主軸轉(zhuǎn)速較低，因此在測點7和測點8選用低頻加速度傳感器，頻響范圍為0.2～1 000 Hz;其余測點選用普通加速度傳感器，頻響范圍為1～10 000 Hz。

3 兆瓦級風(fēng)電齒輪箱遠程實時在線測試

3.1 風(fēng)電齒輪箱實測工作工況

利用組建的遠程在線測試系統(tǒng)對實際運行的風(fēng)機在線連續(xù)監(jiān)測24小時，測得風(fēng)場時變風(fēng)速和齒輪箱高速級轉(zhuǎn)速的時間歷程曲線如圖4所示。

3.2 風(fēng)電齒輪箱變風(fēng)載振動測試

圖4 實測兆瓦級風(fēng)電齒輪箱工作工況曲線Fig.4 The measured curves of working conditions

測試現(xiàn)場圖如圖5所示，選取轉(zhuǎn)速較為穩(wěn)定且接近額定轉(zhuǎn)速的工作工況進行分析，此時齒輪箱運行工況為:高速軸轉(zhuǎn)速為1 725 r/min，發(fā)電機功率為1 015 Kw。該工況下風(fēng)電齒輪箱低速級行星架上風(fēng)向軸承座測點(測點1)及高速級輸出軸下風(fēng)向軸承座測點(測點5)的振動加速度時域曲線和頻譜如圖6、圖7所示[13－14]。圖6、圖7 是在風(fēng)速相對穩(wěn)定，工況下測得，采樣幀時間較短(約為0.64 s)，頻率分辨率約為1.5 Hz，無明顯的“譜涂抹”現(xiàn)象。此轉(zhuǎn)速下風(fēng)電齒輪箱各傳動軸的轉(zhuǎn)頻和各級齒輪副的嚙合頻率如表3所示。

圖5 機艙內(nèi)信號拾取裝置測試現(xiàn)場圖Fig.5 Signal pick-up device in engine room

從圖6可以看出該工況下測點1(低速軸軸承座)的振動加速度幅值整體上較小，如圖6和圖7所示。測點1的X、Y、Z方向的振動頻率主要有134.375 Hz、603.125 Hz、1 206.25 Hz、1 810.938 Hz。這些頻率主要是由齒輪箱中間級嚙合頻率(134.82 Hz)、高速級嚙合頻率(603.75 Hz)及其倍頻引起。

圖6 測點1振動加速度時域曲線及其頻譜Fig.6 Vibration acceleration domain curves and spectral of measuring point 1

表3 風(fēng)電齒輪箱轉(zhuǎn)頻和嚙合頻率Tab.3 Rotational frequency and meshing frequency of the wind turbine gearbox

圖7 測點5振動加速度時域波形及頻譜Fig.7 Vibration acceleration domain curves and spectral of measuring point 5

從圖7可以看出，該工況下測點5(高速軸軸承座)在Z(軸向)向的振動加速度最大，X(水平方向)向的振動加速度次之，Y(豎直方向)向的振動加速度最小，測點5在X方向上的振動頻率主要有1 206.25 Hz、1 810.938 Hz;在Y方向上的振動頻率主要有134.375 Hz、603.125 Hz、1 206.25 Hz、1 810.938 Hz;在 Z 方向上的振動頻率主要有 1 206.25 Hz、1 810.938 Hz。這些頻率主要是由齒輪箱中間級嚙合頻率(134.82 Hz)及其倍頻、高速級嚙合頻率(603.75 Hz)及其倍頻引起。

圖8為測點5振動加速度信號的細化譜、自功率譜、倒頻譜以及測點1與測點5的相干系數(shù)[15－17]。從細化譜圖8(a)可以看出在高速級嚙合頻率處存在邊頻帶，調(diào)制頻率約為6Hz，正好為此轉(zhuǎn)速下的中間軸轉(zhuǎn)頻5.86 Hz(細化譜頻率分辨率約為0.25 Hz)，倒頻譜圖8(c)也反映了此調(diào)制現(xiàn)象;圖8(b)所示自功率譜可以看出測點五的振動峰值較大頻率主要是在高速級嚙合頻率603.75 Hz及其倍頻處;圖8(d)所示測點1Z向和測點5Z向振動加速度信號相干系數(shù)，可以看出兩信號在高速級嚙合頻率外的相干最大，約為0.87，因此高速級齒輪副的嚙合振動對低速端的振動有一定影響。

圖8 測點5振動加速度信號分析Fig.8 The analyze for vibration acceleration of measuring point 5

表4 各測點振動速度均方根值及振動烈度Tab.4 The RMS of vibration of each measuring point and vibration strength of wind turbine gearbox

4 兆瓦級風(fēng)電齒輪箱實時在線振動強度評價

振動強弱程度用當(dāng)量振動烈度參數(shù)Vs來表示，其意義為所有測點三個正交方向上振動速度有效值的向量和的模。其定義公式為:

式中:Vs為當(dāng)量振動烈度，mm/s;Vxi、Vyi、Vzi為各測點在水平、豎直和軸向的振動速度有效值，mm/s;Nx、Ny、Nz為同一工況下水平、豎直和軸向的測點數(shù)。

按公式(1)計算得到各轉(zhuǎn)速下風(fēng)電齒輪箱的振動強度值如表4所示。由于該風(fēng)電齒輪箱扭力臂采用彈性支撐，選取標準“在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動”中撓性支撐A級和B級的分界線2.3 mm/s作為評價標準值。從表4可以看出，風(fēng)電齒輪箱在不同轉(zhuǎn)速下的當(dāng)量振動烈度均小于2.3 mm/s，達到A級水平。

從表4可以看出，主軸軸承(測點7)和行星架上風(fēng)向軸承(測點1)軸向的振動能量大于徑向振動能量;齒輪箱扭力臂(測點2)以及支撐臺架系統(tǒng)(測點8)豎直方向的振動能量大于水平方向的振動能量;齒輪箱高速端(測點5)三個方向振動能量相差不大。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)電齒輪箱各測點振動速度有效值Fig.9 The RMS of vibration of each measuring point in different speed

在不同轉(zhuǎn)速下兆瓦級風(fēng)電齒輪箱測點1(低速軸軸承座)、測點2(右側(cè)扭力臂)和測點5(高速軸軸承座)的振動速度有效值如圖9所示。從圖9可以看出，齒輪箱扭力臂的振動能量最大，振動速度有效值達到1.79(mm·s－1)，高速端振動能量次之，低速端振動能量最小，由于扭力臂幾乎承受齒輪箱的全部質(zhì)量，運行過程中各方面的慣性力和反作用力對扭力臂的影響較為明顯。

5 結(jié)論

對某兆瓦級風(fēng)電齒輪箱的基本結(jié)構(gòu)和傳動原理進行分析，建立風(fēng)電齒輪箱實際時變風(fēng)載下振動特性遠程在線測試系統(tǒng)，詳細分析風(fēng)機遠程在線測試方法。測試得到風(fēng)電齒輪箱時變風(fēng)載下的振動特性數(shù)據(jù)對其振動強度進行分析。表明該齒輪箱振動的主要振動頻率為中間級嚙合頻率、高速級嚙合頻率及其倍頻;高速級嚙合頻率及其倍頻受中間軸轉(zhuǎn)頻調(diào)制;齒輪箱各測點所受軸向方向的沖擊力大于徑向沖擊力;就各測點振動強度而言，兆瓦級風(fēng)電齒輪箱扭力臂的振動強度最大，振動速度有效值達到1.79(mm·s－1)、高速軸軸承座的振動強度次之、低速軸軸承座的振動強度最小;就整個齒輪箱而言，兆瓦級風(fēng)電齒輪箱實際運行工況下的當(dāng)量振動烈度(綜合振動強度)為1.49(mm·s－1)，小于2.3(mm·s－1)，振動達到 A 級水平。

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