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        風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動測試及分析

        2017-12-20 06:23:21張新榮劉成浩馬王禹澤
        東北水利水電 2017年12期
        關(guān)鍵詞:振動故障信號

        程 振,張新榮,劉成浩,馬王禹澤

        風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動測試及分析

        程 振,張新榮,劉成浩,馬王禹澤

        (中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林長春130021)

        文章分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的振動特性,在此基礎(chǔ)上提出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動測試方法,并以國內(nèi)某風(fēng)電場2臺風(fēng)電機(jī)組的實測振動數(shù)據(jù)為依據(jù),分析了引起機(jī)組振動的原因,總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動故障的頻譜特征。

        風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;振動特性;振動檢測

        1 概況

        對各國風(fēng)電機(jī)組發(fā)生的故障統(tǒng)計結(jié)果表明,風(fēng)電機(jī)組的易損部件主要包括傳動系統(tǒng)(齒輪箱、主軸)、葉片、發(fā)電機(jī)等,而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各種故障中,大部分故障的產(chǎn)生與機(jī)組主要結(jié)構(gòu)的振動有關(guān),其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱部分是機(jī)艙振動的主要來源。因此,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動特性及振動檢測研究對提高風(fēng)電機(jī)組可靠性十分重要。

        某風(fēng)電場位于湖北省通山縣內(nèi),裝有16臺G58-850型西班牙進(jìn)口風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)場投產(chǎn)運(yùn)行2年以來,風(fēng)機(jī)日常維護(hù)工作十分頻繁,尤其在機(jī)艙內(nèi)部的齒輪箱、主軸承等設(shè)備發(fā)生各種故障頻率較高,維護(hù)工作困難。為此,下文以某風(fēng)電場F-10機(jī)組、F-16機(jī)組齒輪箱振動特性及振動檢測為研究對象,分析總結(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障特點(diǎn)。

        2 特性分析

        齒輪箱振動的2個基本頻率就是軸旋轉(zhuǎn)頻率和齒輪嚙合頻率。嚙合頻率是任意相互嚙合的2個齒輪轉(zhuǎn)過1個齒距角時間的倒數(shù),可由式(1)確定。

        式中:n為主軸轉(zhuǎn)速即風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,rpm;z為齒數(shù)。

        G58-850型風(fēng)電機(jī)組齒輪箱采用1級行星/2級平行軸傳動結(jié)構(gòu),如圖1所示。

        2.1 第一級行星輪傳動

        第一級為行星輪系,行星架為輸入端,內(nèi)齒圈是固定的,太陽輪是輸出端。主要參數(shù)有:太陽輪齒數(shù)z2,行星輪齒數(shù)z3,內(nèi)齒圈齒數(shù)z4。

        設(shè)第一級行星輪系傳動比為I1,內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速n4=0,太陽輪轉(zhuǎn)速n2=I1·n,行星輪公轉(zhuǎn)速度n3=n,則太陽輪、行星輪及內(nèi)齒圈的嚙合頻率均為:

        圖1 G58-850風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱結(jié)構(gòu)圖

        行星架所在軸轉(zhuǎn)頻:

        太陽輪軸轉(zhuǎn)頻:

        2.2 第二級中間級定軸傳動

        第二級為中間級,主要參數(shù)有大齒輪數(shù)齒數(shù)z6,小齒輪齒數(shù)z5。

        設(shè)第二級中間級傳動比為I2,大齒輪轉(zhuǎn)速為太陽輪轉(zhuǎn)速n6=n2=I2·n,小齒輪轉(zhuǎn)速n5=I2·n6,則中間級嚙合頻率均為:

        中間軸轉(zhuǎn)動頻率為:

        2.3 第三級高速級定軸傳動

        第三級為高速級,主要參數(shù)有大齒輪數(shù)齒數(shù)z1,小齒輪齒數(shù)z7。

        設(shè)第三級高速級傳動比為I3,大齒輪轉(zhuǎn)速為中間軸轉(zhuǎn)速n1=n5,小齒輪轉(zhuǎn)速n7=I3·n1,高速級嚙合頻率均為:

        高速軸轉(zhuǎn)動頻率為:

        3 測點(diǎn)方案

        風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動信號是設(shè)備出現(xiàn)異常時信息的重要載體,合理布置測點(diǎn)是決定能否檢測到準(zhǔn)確振動信號的必要條件,而選擇最佳的測點(diǎn)是決定能否客觀的獲取設(shè)備故障信息的關(guān)鍵。因此,振動測試點(diǎn)的選擇尤為重要。測點(diǎn)布置方案如表1所示。

        表1 測點(diǎn)布置

        4 振動信號分析

        4.1 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動特征頻率

        F-10機(jī)組在檢測時實測平均風(fēng)速為5.0 m/s,平均風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為12.5 rpm,F(xiàn)-16機(jī)組在檢測時實測平均風(fēng)速為12 m/s,平均風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為22.5 rpm,將風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的基本參數(shù)帶入到公式(2)~(7)中,得到齒輪箱的特征頻率如表2所示。

        4.2 F-10風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動信號時頻域分析

        對風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的輸入軸、低速軸、中間軸及高速軸進(jìn)行振動檢測,觀察實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在同一臺機(jī)組的不同測點(diǎn)處,測得振動信號包含的機(jī)組故障信息基本相同。由于篇幅有限,這里僅列出F-10機(jī)組中間軸垂直測點(diǎn)及F-16機(jī)組輸入軸水平測點(diǎn)的時頻域分析結(jié)果。

        F-10機(jī)組齒輪箱中間軸振動時域波采集的加速度信號前10 s出現(xiàn)異常,與后面50 s的振動波形相差很大,可能是電磁干擾的影響。因此,剔除前10 s的數(shù)據(jù),做進(jìn)一步分析。F-10機(jī)組中間軸垂直振動信號0~2 000 Hz范圍內(nèi)的速度譜出現(xiàn)峰值,如表3所示。

        表2 齒輪箱振動特征頻率

        表3 F-10機(jī)組中間軸垂直振動0—2 000 Hz范圍速度譜峰值表

        在表3中可明顯觀察到以中間級嚙合頻率99.48 Hz及其4倍頻為中心頻率的載波,其余頻率段振動幅值較為平穩(wěn),在載波中心周圍沒有發(fā)現(xiàn)有規(guī)律間隔的邊帶成分,進(jìn)一步細(xì)化解調(diào)得到加速度包絡(luò)譜。F-10機(jī)組中間軸垂直振動信號低頻區(qū)域內(nèi)振動成分比較豐富,沒有明顯的峰值突出,且沒有明顯間隔的邊帶頻率成分,在齒輪箱特征頻率處也沒有發(fā)現(xiàn)明顯峰值存在。這說明F-10號機(jī)組齒輪箱中間級在嚙合過程中產(chǎn)生的低噪較高,這與其潤滑不良有關(guān)。

        4.3 F-16風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動信號時頻域分析

        F-16機(jī)組齒輪箱輸入軸振動信號0~1 000 Hz,1 000~2 000 Hz范圍的速度頻譜出現(xiàn)峰值,如表4所示。

        在表4中發(fā)現(xiàn)齒輪箱中間級嚙合頻率179.06 Hz及其倍頻載波頻率。高速級嚙合頻率的二倍頻1 432.20 Hz周圍存在對稱分布、數(shù)量多、分布寬的調(diào)制邊頻帶,頻率間隔約為30 Hz。經(jīng)過進(jìn)一步解調(diào)分析齒輪箱輸入軸水平加速度細(xì)化包絡(luò)譜,加速度譜出現(xiàn)峰值,如表5所示。

        表4 F-16機(jī)組輸入軸水平振動0~1000 Hz范圍速度譜峰值表

        表5 F-16機(jī)組齒輪箱輸入軸水平加速度細(xì)化包絡(luò)譜峰值表

        在表5中,可以清楚地分辨出調(diào)制信號的頻率為31.13 Hz,即高速軸轉(zhuǎn)頻,而且前2階諧頻幅值增加較為明顯。輸入軸水平測點(diǎn)檢測出的頻譜特征為:以中間級嚙合頻率及其諧波、高速級嚙合頻率為載波頻率,高速軸轉(zhuǎn)頻及其2倍頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象。信號頻譜中邊帶的成分主要由于高速軸的轉(zhuǎn)頻產(chǎn)生調(diào)制,表明在高速軸上可能存在故障。

        依據(jù)F-16號機(jī)組齒輪箱輸入軸振動信號頻譜特征,齒輪箱故障可能為:高速軸上齒輪出現(xiàn)均勻磨損、斷齒、齒形誤差或高速軸不平衡4種故障。當(dāng)齒輪均勻磨損時,一般不會形成輪齒的齒形局部大的變化,所以一般沒有沖擊振動信號產(chǎn)生,不會出現(xiàn)明顯的調(diào)制現(xiàn)象,只會有齒輪嚙合頻率及其各階諧波處的幅度明顯增大,這與F-16機(jī)組出現(xiàn)明顯的高速軸轉(zhuǎn)頻調(diào)制現(xiàn)象相反,可以排除。齒輪箱的斷齒故障,是一種嚴(yán)重失效形式,軸系在轉(zhuǎn)動時,斷齒處得輪齒參與嚙合的時候會產(chǎn)生很大的沖擊振動,在時域波形上表現(xiàn)為幅值很大的沖擊型振動,沖擊頻率等于斷齒所在軸的轉(zhuǎn)頻。由于沖擊能量很大,其邊頻帶的數(shù)目很多,分布也很寬,諧波階數(shù)很高,這與F-16機(jī)組調(diào)制邊帶數(shù)目少而稀,調(diào)制頻率僅前2階較為明顯相違背,也可以排除。F-16號機(jī)組的故障特征基本符合較為嚴(yán)重的齒形誤差或軸不平衡故障的頻譜特征。軸不平衡故障的本質(zhì)是導(dǎo)致齒形誤差,當(dāng)出現(xiàn)齒形誤差的齒進(jìn)入嚙合,產(chǎn)生的沖擊能量較小,會產(chǎn)生齒輪嚙合頻率及其高次諧波為載波,故障軸的轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的調(diào)制現(xiàn)象,調(diào)制頻率的邊頻帶少。

        對照G58-850風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的結(jié)構(gòu)圖可知,中間級的輸出齒輪z5和高速級的輸入齒輪z1之間通過中間軸連接,而高速軸連接在高速級的輸出齒輪z7上。由此可以推斷,F(xiàn)-16號機(jī)組的故障類型為齒輪箱高速軸上的z7齒輪存在齒形誤差,或是高速軸不平衡故障。

        5 總結(jié)

        1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)比地面齒輪箱結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,振動信號中包含頻率成份更多,其信號特點(diǎn)如下:周期成分主要是齒輪箱各級軸的轉(zhuǎn)頻、嚙合頻率及其諧波成分,其中,中間級和高速級嚙合頻率成分最突出。

        2)從分析過程看,風(fēng)電機(jī)組振動信號的解調(diào)分析對確定機(jī)組故障原因十分有效。

        3)從分析結(jié)果看,測試2臺機(jī)組振動幅值處于同一數(shù)量級,這表明僅僅通過振幅的變化不能完全說明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。2臺機(jī)組振動信號中均存在邊帶成分,因此僅憑振動信號中是否存在邊帶成分不能診斷為齒輪箱故障,還有可能是潤滑不良。

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        TM614 < class="emphasis_bold"> [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

        B

        1002—0624(2017)12—0061—03

        2017-05-31

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