陳 靜

(長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林 長春 130012)

基于有限元的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)齒輪故障振動(dòng)分析

陳 靜

(長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林 長春 130012)

為了增進(jìn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)齒輪故障情況的了解，掌握振動(dòng)故障特性，不斷提高發(fā)電機(jī)組齒輪工作效率，充分發(fā)揮有限元理論、齒輪嚙合理論、振動(dòng)力學(xué)作用，構(gòu)建圓柱齒輪傳動(dòng)有限元模型，通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)齒輪振動(dòng)頻率和變形情況的模擬計(jì)算，進(jìn)一步闡述了齒輪故障情況變化以及正常運(yùn)作變化，掌握齒輪故障振動(dòng)特性，奠定扎實(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷理論基礎(chǔ)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；傳動(dòng)齒輪；故障；振動(dòng)

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障

齒輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障發(fā)生幾率最高的部件，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成發(fā)電機(jī)組故障或停機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由齒輪箱、離合器及緊急情況下的復(fù)位剎車系統(tǒng)構(gòu)成。利用齒輪箱可提高風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，其中水平軸采用了行星齒輪傳動(dòng)及平行軸齒輪傳動(dòng)兩種轉(zhuǎn)動(dòng)方式。根據(jù)傳動(dòng)級(jí)數(shù)又可將其劃分為多級(jí)齒輪箱、單級(jí)齒輪箱。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須要充分發(fā)揮齒輪箱機(jī)械性能，保證齒輪箱的正常穩(wěn)定運(yùn)行，做好振動(dòng)防護(hù)準(zhǔn)備。齒輪箱損壞率高的風(fēng)場損壞率可達(dá)50%。

常見的齒輪箱故障包括軸承損壞、油溫過高、輪齒折斷、齒根斷裂等，其中以齒面疲勞故障和輪齒折斷發(fā)生概率最大。隨著風(fēng)電機(jī)組的逐步擴(kuò)容，輪毅高度不斷增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱受力情況越發(fā)復(fù)雜。由于齒輪箱存在一定的設(shè)計(jì)缺陷，受風(fēng)場極端氣溫、潤滑等因素影響，都可能引發(fā)故障。復(fù)雜地形引發(fā)的氣流變動(dòng)都可能造成齒輪箱交變荷載故障，造成難以估量的損失。

2 構(gòu)建圓柱傳動(dòng)齒輪有限元模型

2.1 有限元風(fēng)力發(fā)電機(jī)組計(jì)算軟件

有限元軟件中普遍會(huì)應(yīng)用到ANSYS技術(shù)，該軟件是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的有效方法?；谟邢拊Ｐ徒⒌挠邢拊治?，首先要明確分析對象，了解分析對象的物理系統(tǒng)特征，掌握分析的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2 有限元模型建立過程

通過這一研究對象實(shí)際研究情況分析來看，利用ANSYS軟件建立有限元模型，需要設(shè)定分析范疇，了解分析內(nèi)容，了解材料性能參數(shù)，定義模型單元類型，構(gòu)建幾何模型，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。有限元齒輪模型劃分有限元網(wǎng)格，出于對齒輪精度要求和復(fù)雜程度考慮，建立相應(yīng)的有限元齒輪故障。

3 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

與靜止的嚙合齒輪相比，高速轉(zhuǎn)動(dòng)嚙合齒輪的固有頻率會(huì)發(fā)生一定的變化。充分利用ANSYS預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模態(tài)故障分析法，以輸入功率為600 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，它的齒輪箱增速比45.03，齒輪箱轉(zhuǎn)速33.5 r/min，這樣就可以得出結(jié)構(gòu)分析，有效提高嚙合齒輪轉(zhuǎn)速，并以相同或不同材料下的模態(tài)分析計(jì)算，增進(jìn)對有效元模型構(gòu)成的了解。

預(yù)應(yīng)力模態(tài)須要進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)分析，并進(jìn)一步求出載荷應(yīng)力和剛度陣的影響。預(yù)應(yīng)力傳動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)分析過程總結(jié)如下：對分析實(shí)例施加載荷、定義邊界條件。求解選項(xiàng)設(shè)置、考慮預(yù)應(yīng)力靜力分析邊界條件定義?？紤]預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解分析。預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析需要在結(jié)構(gòu)分析完成后進(jìn)行結(jié)果處理。通常可采用時(shí)間后處理器和一般后處理器的方式觀察求解結(jié)果和處理結(jié)果。高速旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)齒輪的齒輪應(yīng)力微小，并不會(huì)造成齒輪位移和變形。總地分析來看，結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析約束條件基本相同，這也是結(jié)構(gòu)分析定義轉(zhuǎn)速時(shí)常被忽略的主要原因。

對傳動(dòng)齒輪前20階固有頻率進(jìn)行計(jì)算，得出載荷頻率范圍，并進(jìn)一步選取菜單路，進(jìn)行傳動(dòng)齒輪固有頻率求解，通過計(jì)算得出圓柱齒輪各階固有頻率，并利用有限元分析軟件查看各階模態(tài)和振動(dòng)情況。

通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱實(shí)際案例的模態(tài)擴(kuò)展設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了對每階固有頻率求解，求得相應(yīng)模態(tài)振型，合理選擇菜單路徑，根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)彈出的彩色對話框選擇相應(yīng)選項(xiàng)，綜合利用選定模態(tài)進(jìn)行各種結(jié)果的觀察。低階剛體嚙合齒輪振動(dòng)打破了齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，造成齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的劇烈振動(dòng)，尤其是彎曲振動(dòng)和扭曲振動(dòng)最易引發(fā)齒輪連接部件破壞，形成結(jié)構(gòu)輻射噪音。齒輪形狀受振動(dòng)頻率影響較大，振動(dòng)頻率越大，變形越加嚴(yán)重，與之相對應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)基本量也會(huì)隨著頻率變化而變化。

根據(jù)ANSYS模態(tài)分析，圓柱齒輪受固有頻率振動(dòng)影響下會(huì)發(fā)生一定的形狀變形和位移進(jìn)而產(chǎn)生等效應(yīng)力，具體情況如圖。因此，有必要深入了解齒輪正常頻率變形情況，掌握傳動(dòng)齒輪正常和非正常情況下的形狀和位移情況，做好相應(yīng)的防范措施，保證齒輪的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而當(dāng)齒輪故障發(fā)生時(shí)，齒輪形狀和傳動(dòng)齒輪輪齒就會(huì)發(fā)生一定的變化，齒輪故障振動(dòng)等效應(yīng)力列示如圖所示：

圖1 圓柱齒輪正常工作頻率下模態(tài)振型Fig.1 Modal vibration mode of cylindrical gear at normal operating frequency

圖2 圓柱齒輪故障時(shí)振動(dòng)等效應(yīng)力圖Fig.2 Vibration equivalent stress diagram of cylindrical gear failure

通過兩圖對比可以看出，圓柱齒輪故障時(shí)傳動(dòng)齒輪產(chǎn)生了變形，且大齒輪發(fā)生了較為明顯的扭曲，大齒輪與小齒輪嚙合部分發(fā)生了一定的內(nèi)向扭曲，輪齒存在一定的偏移，嚙合齒輪完全不在統(tǒng)一平面上。齒輪故障時(shí)受振動(dòng)沖擊影響，齒面疲勞度增加，造成齒輪變形、位移，影響齒輪壽命和正常使用，引發(fā)故障。結(jié)合實(shí)際情況可知，大齒輪振動(dòng)以彎扭振動(dòng)為主，而小齒輪以轉(zhuǎn)動(dòng)主振動(dòng)為主。按照顏色的不同在圖中代表不同應(yīng)力值，由于嚙合處輪齒齒根受力最大，也是最易磨損部位，這也是故障易發(fā)頻發(fā)部位，相對而言齒輪中心節(jié)點(diǎn)是最小受力部位。

由上圖可知，不同故障類型基本上是可以從齒輪振動(dòng)頻率信號(hào)判斷出來的，齒輪箱運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生多種機(jī)械振動(dòng)，但是故障下的振動(dòng)與正常振動(dòng)有著極為顯著的區(qū)別，振動(dòng)信號(hào)也多有不同。技術(shù)人員有必要加深對振動(dòng)信號(hào)的掌握和了解，提升故障的預(yù)防和防范技術(shù)水平。采用有限元分析方法進(jìn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱圓柱齒輪預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析得出，前20階相應(yīng)振型和固有頻率接近實(shí)際，是目前齒輪故障振動(dòng)模態(tài)分析中較為準(zhǔn)確的一種分析方法，該方法用在齒輪工作狀況判斷和檢測，有效保證了齒輪振動(dòng)信息的及時(shí)準(zhǔn)確，為齒輪箱故障診斷奠定扎實(shí)的理論依據(jù)。

4 結(jié)語

基于有限元的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)齒輪故障振動(dòng)分析計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高，有著一定的實(shí)際意義，可以用于齒輪故障振動(dòng)研究，這也是目前最為有效的齒輪故障診斷辦法。應(yīng)當(dāng)充分利用有限元理論和模型有效性，深入掌握齒輪箱故障問題，做好相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備和故障防范工作。

[1] 張青雷，郭井寬.兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，(03)：106.

[2] 曲弋.MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件振動(dòng)分析與故障診斷方法研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.

[3] 張小科.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測及故障診斷[D].華北電力大學(xué)， 2011.

[4] 阿依古麗·買買提，張偉.試論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制方法改進(jìn)策略研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)， 2014，(06) ：156.

Fault analysis of transmission gear fault of wind turbine based on finite element

CHEN Jing

(College of Optoelectronic Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130012, China)

In order to improve the understanding of the fault condition of the transmission gear of the wind turbine, master the vibration failure characteristic, and constantly improve the working efficiency of the generator gear, give full play to the finite element theory, the gear meshing theory and the vibration mechanics, construct the cylindrical gear transmission finite element model. The gear fault condition and the normal operation change are described, the characteristics of the gear fault vibration are grasped, and the theoretical basis of the fault diagnosis of the wind turbine is established based on the simulation of the vibration frequency and deformation of the gears of the wind turbine.

Wind turbine; Transmission gear; Fault; Vibration

2017-04-21

陳靜(1984-)，女，碩士研究生。

TM315

B

1674-8646(2017)13-0023-02