王天品，孔德同，劉慶超

（1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，昆明 650228；2.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速對齒輪箱振動的影響規(guī)律研究

王天品1，孔德同2，劉慶超2

（1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，昆明 650228；2.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

齒輪箱是風(fēng)電機組的主要傳動裝置，齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測對保障風(fēng)電機組安全運行至關(guān)重要。風(fēng)電機組受風(fēng)速波動影響較大，其轉(zhuǎn)速實時變動，增加了齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的難度。通過分析某風(fēng)電場兩臺運行機組齒輪箱的振動信號，揭示了齒輪箱振動信號與轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系，提出將任意轉(zhuǎn)速下的振動信號有效值轉(zhuǎn)化到額定轉(zhuǎn)速下的措施，有效降低了轉(zhuǎn)速對振動信號的影響，提高了監(jiān)測指標(biāo)的趨勢性，可為齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測提供有效的監(jiān)測指標(biāo)。

風(fēng)電機組；齒輪箱；狀態(tài)監(jiān)測；振動信號；轉(zhuǎn)速

0 引言

近年來，風(fēng)力發(fā)電以其經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢在世界各國得到迅速發(fā)展［1］，然而調(diào)查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機組在整個壽命期內(nèi)的維修成本占其總生產(chǎn)效益的10%～25%［2］，其中主傳動鏈機械故障是造成風(fēng)機停機的主要原因。齒輪箱是風(fēng)電機組主要的傳動部件，齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測對于保障風(fēng)電機組安全運行至關(guān)重要。

目前，常用的齒輪狀態(tài)監(jiān)測方法大都基于振動信號［3-6］，采用一定的處理方法對振動信號進行分析，從信號時域和頻譜中尋找能夠反映齒輪故障信息的信號成分，從而推斷齒輪箱的故障類型。但是，采用基于振動信號的方法對風(fēng)電齒輪箱進行狀態(tài)監(jiān)測時存在兩個問題：（1）風(fēng)電齒輪箱通常包含行星輪系和定軸輪系，是典型的復(fù)雜齒輪傳動系統(tǒng)，振動信號成分比定軸齒輪箱更復(fù)雜［7-8］；（2）基于振動信號的狀態(tài)監(jiān)測方法往往要求齒輪箱轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定，但是風(fēng)電機組受風(fēng)速波動影響較大，通常在變轉(zhuǎn)速工況下運行，使得基于振動信號的狀態(tài)監(jiān)測方法無計可施。

由于以上兩個問題的存在，大大降低了基于振動信號的狀態(tài)監(jiān)測方法對風(fēng)電機組齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的有效性。為了實現(xiàn)對風(fēng)電機組齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測，必須首先分析轉(zhuǎn)速波動對風(fēng)電機組齒輪箱振動信號的影響規(guī)律，并設(shè)法消除或降低轉(zhuǎn)速波動對振動信號的影響，從而可以將振動信號分析成功引入到風(fēng)機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域。

本文對多臺風(fēng)電機組實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，尋找風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速對齒輪箱振動信號的影響規(guī)律。

1 風(fēng)電機組監(jiān)測數(shù)據(jù)介紹

某風(fēng)電場SL1500型號風(fēng)電機組主傳動鏈由葉片、齒輪箱、發(fā)電機等組成，其中齒輪箱結(jié)構(gòu)為兩級行星加一級定軸，如圖1所示。風(fēng)機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)（CMS）存儲數(shù)據(jù)分為密集存儲區(qū)和稀疏存儲區(qū)兩部分：密集存儲區(qū)為當(dāng)前時刻前推大約50 d，該區(qū)數(shù)據(jù)間隔大約為3 h45min；稀疏存儲區(qū)為密集存儲區(qū)前的所有歷史時期，該區(qū)數(shù)據(jù)間隔大約為1 d。每個測點采樣頻率在高轉(zhuǎn)速時為25600Hz，在低轉(zhuǎn)速時為2 560Hz，數(shù)據(jù)長度統(tǒng)一為102 400，同時測量并存儲每組數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)速信息。

圖1 某風(fēng)電場SL1500風(fēng)力發(fā)電機組主傳動鏈

風(fēng)電場某臺風(fēng)機運行過程中監(jiān)測到齒輪箱故障，選取該風(fēng)機正常運行時期的一組振動信號和故障運行時期的一組振動信號，其時域波形分別如圖2a和圖2b所示?？梢钥闯?，齒輪箱正常運行期間振動信號幅值較低，當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)故障時，振動信號幅值明顯增大，并且信號中出現(xiàn)明顯的周期性調(diào)制成分。

為進一步分析齒輪箱振動信號在全壽命期內(nèi)的變化趨勢，提取振動信號的有效值，如圖3所示。由圖3可以看出，有效值在全壽命期內(nèi)呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，由于風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速的實時波動，全壽命期內(nèi)的有效值也表現(xiàn)出了很強的波動性，這對于風(fēng)機狀態(tài)監(jiān)測和衰退趨勢分析極其不利，因此，需要深入分析轉(zhuǎn)速對振動信號的影響規(guī)律，并設(shè)法消除轉(zhuǎn)速對振動的影響。

圖2 振動信號

圖3 齒輪箱振動信號全壽命期內(nèi)有效值變化趨勢

2 相關(guān)性分析

為分析轉(zhuǎn)速與齒輪箱振動信號的相關(guān)性，采用風(fēng)電場另外兩臺運行機組的振動信號，從中提取振動信號的有效值及相應(yīng)時刻的轉(zhuǎn)速信號。兩臺機組的振動信號有效值和對應(yīng)轉(zhuǎn)速信號分別如圖4a，4b和圖5a，5b所示?？梢钥闯?，振動信號有效值與電機轉(zhuǎn)速之間具有明顯的相關(guān)性，轉(zhuǎn)速較大時有效值會相應(yīng)升高，轉(zhuǎn)速較小時有效值也會相應(yīng)降低。

為進一步分析有效值與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，繪制振動信號有效值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。兩組機組的有效值-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線分別如圖4c和圖5c所示。從振動信號有效值-轉(zhuǎn)速曲線可以看出，振動信號有效值與轉(zhuǎn)速之間存在較強的線性關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速的升高，有效值不斷增大，而且波動性也明顯增強。該規(guī)律可以為后續(xù)研究如何消除轉(zhuǎn)速對振動信號的影響提供理論依據(jù)。

3 消除轉(zhuǎn)速影響

根據(jù)以上分析，采用以下轉(zhuǎn)化公式對振動信號有效值進行處理，降低轉(zhuǎn)速波動對振動信號有效值的影響。風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速一般為其最大轉(zhuǎn)速，將風(fēng)機任意轉(zhuǎn)速下有效值轉(zhuǎn)化為額定轉(zhuǎn)速下的有效值當(dāng)量。

式中：yt為t時刻振動信號有效值；nr為風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速，該組風(fēng)機nr=1 800 r／min；nt為t時刻電機轉(zhuǎn)速。

圖4 機組1相關(guān)性分析

圖5 機組2相關(guān)性分析

采用公式（1）對圖3中故障機組全壽命期內(nèi)有效值進行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的有效值當(dāng)量結(jié)果如圖6所示。相比于圖3，圖6中有效值當(dāng)量增長趨勢更加明顯，局部波動有所消除，能夠更好地反映齒輪箱健康狀況的衰退趨勢，為齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測提供有效的監(jiān)測指標(biāo)。

圖6 齒輪箱全壽命期內(nèi)振動信號有效值當(dāng)量變化趨勢

4 結(jié)束語

本文對風(fēng)電機組齒輪箱振動信號和轉(zhuǎn)速信號進行分析，揭示了振動信號與轉(zhuǎn)速信號之間的線性關(guān)系。將任意轉(zhuǎn)速下的振動信號健康指標(biāo)轉(zhuǎn)化到額定轉(zhuǎn)速下，降低轉(zhuǎn)速波動對振動信號的影響，消除健康指標(biāo)的局部波動，可以更好地反映齒輪箱健康狀態(tài)的變化。

筆者將在本文研究工作的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對風(fēng)電機組齒輪箱健康狀態(tài)監(jiān)測方法進行研究，實現(xiàn)對齒輪箱健康狀態(tài)的有效監(jiān)測和故障的自動識別。

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（本文責(zé)編：劉芳）

TH 113.21

B

1674-1951（2016）12-0067-03

王天品（1971—），男，云南東川人，高級工程師，從事新能源安全生產(chǎn)管理工作（E-mail：xjtp51＠126.com）。

2016-06-30；

2016-10-18