黃 闖

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司 工程服務(wù)分公司 上海 200241

1 研究背景

隨著我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的新增裝機(jī)量保持高速增長(zhǎng)，風(fēng)力發(fā)電已成為繼火電和水電之后的第三大新增發(fā)電能源[1]。對(duì)于占據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)市場(chǎng)一半以上市場(chǎng)份額的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)故障的問(wèn)題困擾著相關(guān)企業(yè)，如何解決傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)故障已成為當(dāng)前最為緊迫的問(wèn)題[2]。

由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速非常低，達(dá)不到雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的要求，因此需要通過(guò)齒輪箱增速來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。齒輪箱的壽命往往決定著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命，由齒輪箱故障造成的電量損失占到全部非常規(guī)電量損失的69%[4]，因此齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)顯得十分重要。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的結(jié)構(gòu)主要有兩種形式： 兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)和一級(jí)行星兩級(jí)平行傳動(dòng)[5]。行星齒輪箱行星級(jí)的監(jiān)測(cè)是齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷問(wèn)題中的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，其低轉(zhuǎn)速、變轉(zhuǎn)速和復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)都對(duì)常規(guī)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷帶來(lái)一定困難。齒輪箱沖擊檢測(cè)算法能夠通過(guò)常規(guī)的振動(dòng)加速度傳感器實(shí)現(xiàn)齒輪箱行星級(jí)故障的早期預(yù)警，從而大幅提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率，使齒輪箱的維護(hù)方式更好地實(shí)現(xiàn)由故障維護(hù)向預(yù)測(cè)性維護(hù)升級(jí)。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)行星結(jié)構(gòu)齒輪箱

風(fēng)力發(fā)電機(jī)行星結(jié)構(gòu)齒輪箱如圖1所示，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。在設(shè)備故障診斷與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，常用峰值、有效值、尖峰因數(shù)及峭度這四個(gè)特征變量[6]。這四個(gè)特征變量均能為設(shè)備故障診斷與設(shè)備運(yùn)行預(yù)警提供參考，但又各有局限性。齒輪箱沖擊檢測(cè)算法經(jīng)過(guò)大量齒輪箱對(duì)拖疲勞老化試驗(yàn)所獲得的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證，是一種對(duì)齒輪箱行星級(jí)進(jìn)行檢測(cè)特別有效的算法。

2 振動(dòng)信號(hào)診斷技術(shù)常用的特征變量

在設(shè)備故障診斷中，基于振動(dòng)信號(hào)的診斷技術(shù)通常利用振動(dòng)信號(hào)的各種參數(shù)變量，如峰值、有效值、尖峰因數(shù)及峭度等進(jìn)行初步判斷，以確認(rèn)是否出現(xiàn)故障[7]。

2.1 振幅

振幅是振動(dòng)強(qiáng)度和能量水平的標(biāo)志，是評(píng)價(jià)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)優(yōu)劣的一個(gè)主要指標(biāo)。如圖2所示，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，縱坐標(biāo)表示振動(dòng)幅值。衡量振幅的物理量一般有位移、速度和加速度，振幅的量值可以表示為峰峰值、單峰值或有效值。

圖2 振動(dòng)信號(hào)

峰值指波形的最大幅值，設(shè)最大幅值為Xmax,最小幅值為Xmin,則單峰值Xp為：

Xp=(Xmax-Xmin)/2

(1)

峰峰值為整個(gè)振動(dòng)歷程的最大值，即2Xp。單峰值是正峰或負(fù)峰的最大值，即Xp。峰值反映了部件局部缺陷所產(chǎn)生的沖擊力大小。沖擊力越大，峰值越大。峰值能很好地反映由較大缺陷造成的沖擊性振動(dòng)，但對(duì)部件表面粗糙狀況并不敏感。

有效值即為均方根，也稱總振值、通頻值，用來(lái)表示振動(dòng)能量的大小。有效值能反映因制造或早期磨損引起的部件表面粗糙狀況，但卻不能反映剝落、裂紋、壓痕等局部缺陷。

2.2 尖峰因數(shù)

尖峰因數(shù)Cf綜合了有效值與峰值的情況，為峰值與有效值之比：

Cf=Xp/XRMS

(2)

式中：XRMS為有效值。

通常設(shè)備振動(dòng)波形的尖峰因數(shù)一般小于5，因剝落等局部缺陷引起的尖峰因數(shù)往往大于10[8]。局部缺陷越大，尖峰因數(shù)越大。當(dāng)有效值出現(xiàn)明顯升高，而尖峰因數(shù)卻無(wú)明顯變化，仍然處于較低水平時(shí)，軸承可能存在潤(rùn)滑不良或磨損等情況。

2.3 峭度

峭度是反映振動(dòng)信號(hào)分布特性的數(shù)值統(tǒng)計(jì)量，是歸一化的四階中心矩。峭度K計(jì)算式為：

(3)

峭度的意義如圖3所示。當(dāng)K=3時(shí)，分布曲線具有正常峰度，即零峭度。當(dāng)K>3時(shí)，分布曲線具有正峭度。K增大，正態(tài)分布曲線峰頂?shù)母叨雀哂谡Ｕ龖B(tài)分布曲線，因此稱為正峭度。當(dāng)K<3時(shí)，分布曲線具有負(fù)峭度。

圖3 峭度意義

峭度是無(wú)量綱參數(shù)，由于其與設(shè)備轉(zhuǎn)速、尺寸、載荷等無(wú)關(guān)，對(duì)沖擊信號(hào)特別敏感，因此特別適用于表面損傷類故障，尤其是早期故障的診斷[10]。

在設(shè)備無(wú)故障運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于受各種不確定因素的影響，振動(dòng)信號(hào)的幅值接近正態(tài)分布，峭度約為3。隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，振動(dòng)信號(hào)中大幅值的概率密度增大，信號(hào)幅值的分布偏離正態(tài)分布，正態(tài)曲線出現(xiàn)偏斜或分散，峭度也隨之增大。峭度的絕對(duì)值越大，說(shuō)明軸承越偏離自身正常狀態(tài)，故障也越嚴(yán)重。當(dāng)峭度大于8時(shí)，很可能已出現(xiàn)了較大的故障。

上述引用的各種特征變量雖然對(duì)軸承、齒輪的早期故障較敏感，但是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)本身較為復(fù)雜，特征變量?jī)H能進(jìn)行量化和指示，不能對(duì)故障進(jìn)行定位和定性，僅僅起到輔助的參考作用。另一方面，在故障診斷中，工程師還可以通過(guò)專業(yè)的波形、頻譜、包絡(luò)分析等工具進(jìn)一步對(duì)故障位置進(jìn)行定位和定性，但這些圖譜又難以形成對(duì)復(fù)雜的行星齒輪箱故障的定量分析。因此，筆者提出一種齒輪箱累計(jì)沖擊檢測(cè)算法來(lái)解決量化與定位、定性同時(shí)進(jìn)行的問(wèn)題。

3 齒輪箱累計(jì)沖擊檢測(cè)算法原理

上述介紹的振動(dòng)特征變量及相關(guān)的振動(dòng)分析需要以一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參照，而標(biāo)準(zhǔn)并不一定適應(yīng)于設(shè)備運(yùn)行時(shí)的實(shí)際狀況，特別是當(dāng)存在很多外界因素干擾時(shí)，上述特征變量便不能很好地發(fā)揮作用。齒輪箱累計(jì)沖擊檢測(cè)算法檢測(cè)較大的碎片顆粒，通過(guò)齒輪箱行星級(jí)所產(chǎn)生的沖擊信號(hào)來(lái)診斷故障，同時(shí)還能形成一種很有效的趨勢(shì)管理。

由于行星齒輪箱的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，通常難以利用振動(dòng)分析來(lái)監(jiān)測(cè)行星級(jí)的運(yùn)行狀況。無(wú)論是太陽(yáng)輪、行星輪，還是行星軸承，由缺陷所產(chǎn)生的沖擊都是通過(guò)多條路徑傳遞到安裝在外環(huán)齒外的加速度傳感器上的，這種復(fù)雜的信號(hào)傳遞路徑會(huì)使振動(dòng)信號(hào)有明顯衰減。此外，當(dāng)行星輪在太陽(yáng)輪周圍移動(dòng)時(shí)，不斷改變其齒嚙合位置的同時(shí)，也改變了振動(dòng)傳輸?shù)穆窂?，這種運(yùn)動(dòng)更傾向于對(duì)故障信號(hào)的幅值調(diào)制。

3.1 CIC

無(wú)論是在外圈齒輪、行星輪、行星軸承上，還是在太陽(yáng)輪上產(chǎn)生金屬顆粒剝落的現(xiàn)象，行星部位都會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)故障。通常情況下，行星級(jí)組件都安裝在一個(gè)垂直平面內(nèi)，所以從一個(gè)位置剝落的碎片會(huì)傾向于落到其它部位的行星級(jí)齒槽內(nèi)。

齒輪箱行星級(jí)沖擊檢測(cè)如圖4所示。當(dāng)一個(gè)碎片顆粒落入齒槽內(nèi)，它可能會(huì)被帶入外齒、太陽(yáng)齒，或任意一個(gè)行星齒內(nèi)。當(dāng)行星繞外環(huán)或太陽(yáng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，最終齒輪將會(huì)移動(dòng)到一個(gè)位置，即碎片顆粒所處的嚙合齒處。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，如果碎片顆粒足夠大，它會(huì)傾向于強(qiáng)制分開(kāi)兩個(gè)嚙合的齒輪，此時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)沖擊。這一沖擊信號(hào)通過(guò)整個(gè)行星齒輪組傳遞到行星級(jí)外齒圈，外齒圈又將沖擊直接傳遞到變速箱的外殼上，此時(shí)安裝在變速箱行星級(jí)部位的加速度傳感器將檢測(cè)到這一信號(hào)，檢測(cè)到的信號(hào)就是一個(gè)伴隨著固有頻率逐漸衰減的沖擊信號(hào)。檢測(cè)器通過(guò)數(shù)據(jù)的采集和處理，結(jié)合前述四種特征參數(shù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)齒輪箱累計(jì)沖擊檢測(cè)算法。

圖4 齒輪箱行星級(jí)沖擊檢測(cè)

CIC只是一個(gè)簡(jiǎn)單的沖擊信號(hào)的次數(shù)累計(jì)，是最基本的齒輪箱累計(jì)沖擊檢測(cè)算法，從0開(kāi)始每檢測(cè)到一個(gè)顆粒沖擊時(shí)，將會(huì)累計(jì)一次。隨著時(shí)間的推移，這個(gè)累計(jì)值將顯示行星級(jí)部位出現(xiàn)了多少顆粒。

3.2 CIE

CIE是用來(lái)衡量沖擊信號(hào)幅度和數(shù)量的參數(shù)，信號(hào)的振幅與齒槽內(nèi)的顆粒大小有關(guān)，較大的顆粒會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊振幅。

CIE的趨勢(shì)曲線斜率是故障程度的體現(xiàn)，較為陡峭的斜率表示沖擊周期較短或者顆粒較大，而較緩的斜率則表示沖擊發(fā)生的頻率較低或者碎片顆粒較小。

需要引起重視的是，隨著時(shí)間推移，當(dāng)顆粒變得很大并能夠引發(fā)齒輪箱累計(jì)沖擊檢測(cè)算法報(bào)警時(shí)，齒輪箱內(nèi)可能已經(jīng)存在嚴(yán)重的故障，此時(shí)應(yīng)該停止運(yùn)行該齒輪箱，并進(jìn)行開(kāi)機(jī)箱檢查。

3.3 CIR

CIR是統(tǒng)計(jì)在最近1h時(shí)間段內(nèi)沖擊信號(hào)產(chǎn)生次數(shù)的總和。CIR表征為CIC趨勢(shì)判定的斜率。較高的CIR表明相對(duì)之前某一個(gè)階段，較多的顆粒在此時(shí)間段內(nèi)通過(guò)了該行星部位。

在選型策略中，首要考慮的是價(jià)格目標(biāo)。方案1的價(jià)格最低，但由于方案1中電容串聯(lián)的個(gè)數(shù)過(guò)多，可靠性較差；方案2價(jià)格與方案1相差并不多，且耗電量相對(duì)較低，重量也在可以接受的范圍內(nèi)。綜合考慮，確定方案2為最佳選型方案。

在運(yùn)行狀況良好的齒輪箱中，CIC的趨勢(shì)曲線是平的，且CIR的數(shù)值為0。CIR適合作為報(bào)警參數(shù)，操作員能通過(guò)碎片顆粒檢測(cè)率的變化發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀況是否發(fā)生較大變化。

4 齒輪箱累計(jì)沖擊檢測(cè)算法的應(yīng)用

內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)有十臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝了狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)除能夠進(jìn)行常規(guī)的波形、頻譜、包絡(luò)解調(diào)等振動(dòng)數(shù)據(jù)分析之外，還可以針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈中所有軸承、齒輪故障的特征頻率在不同工況條件下分別形成趨勢(shì)分析圖，并可獨(dú)立設(shè)置報(bào)警。每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的檢測(cè)參數(shù)達(dá)150余種，設(shè)置報(bào)警點(diǎn)達(dá)1500余個(gè)。

通過(guò)對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)1號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析，最終得出該風(fēng)力發(fā)電機(jī)行星級(jí)故障的診斷結(jié)論，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的同時(shí)，還協(xié)助安排了檢修計(jì)劃，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在重點(diǎn)監(jiān)控下繼續(xù)保持運(yùn)行，避免了非計(jì)劃的停機(jī)或可能發(fā)生的二次事故所帶來(lái)的發(fā)電量及設(shè)備損失，最大限度縮短了維護(hù)周期，減少了發(fā)電量損失，并保證了風(fēng)電場(chǎng)的安全生產(chǎn)運(yùn)行。

圖5所示為風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)峰值趨勢(shì)圖，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示振動(dòng)峰值。從趨勢(shì)圖中可以發(fā)現(xiàn)，各點(diǎn)振動(dòng)峰值在6月4日有突然增大的趨勢(shì)，見(jiàn)紅色橢圓圈示部分。從振動(dòng)能量上可以看到，一級(jí)行星齒輪振動(dòng)變化最明顯，從19.6m/s2上升到78.4m/s2。二級(jí)平行齒輪變化也非常明顯，振動(dòng)從9.8m/s2上升到29.4m/s2。三級(jí)平行齒輪變化平緩，無(wú)明顯變化。由于一級(jí)行星齒輪和二級(jí)平行齒輪的峰值上升趨勢(shì)均非常明顯，因此還無(wú)法確定故障具體的位置。

圖5 齒輪箱振動(dòng)峰值趨勢(shì)圖

圖6所示為一級(jí)行星齒輪運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生沖擊的事件統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)圖，可以發(fā)現(xiàn)CIC、CIE、CIR三個(gè)參數(shù)都在同一時(shí)刻發(fā)生了很大變化，由此可以說(shuō)明行星級(jí)可能存在著不平滑運(yùn)行，原因推斷為有磨損掉落的金屬顆粒物存在于相互作用的運(yùn)動(dòng)表面。

圖6 一級(jí)行星齒輪振動(dòng)累計(jì)沖擊參數(shù)趨勢(shì)圖

圖7所示為一級(jí)行星齒輪在振動(dòng)發(fā)生變化前后的兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)采集的振動(dòng)，兩次采集時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均為1700～1800r/min，運(yùn)行工況近似相同。從圖中可以看到振動(dòng)發(fā)生變化后存在很明顯的尖峰沖擊，而振動(dòng)發(fā)生變化之前則沒(méi)有明顯的尖峰沖擊。

圖7 一級(jí)行星齒輪振動(dòng)時(shí)域波形圖

通過(guò)對(duì)齒輪箱沖擊事件的監(jiān)測(cè)、診斷，結(jié)論為該齒輪箱行星級(jí)存在問(wèn)題，建議檢查行星級(jí)大齒圈、行星輪磨損情況或是否有異物進(jìn)入行星級(jí)機(jī)械結(jié)構(gòu)中。

對(duì)齒輪箱使用內(nèi)窺鏡檢測(cè)，從而對(duì)診斷結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)行星級(jí)齒面有輕微磨損。由于發(fā)現(xiàn)較早，及時(shí)有針對(duì)性地制訂了維護(hù)和備件計(jì)劃，并使機(jī)組在監(jiān)視下繼續(xù)運(yùn)行發(fā)電。待設(shè)備故障逐漸惡化，經(jīng)過(guò)評(píng)估必須更換時(shí)再進(jìn)行更換。此后又對(duì)故障齒輪箱進(jìn)行了拆解，以便進(jìn)一步分析故障原因。齒輪箱拆解照片如圖8所示。

圖8 齒輪箱拆解照片

齒輪箱累計(jì)沖擊檢測(cè)算法及相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于大約20000臺(tái)國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，如上海臨港海上風(fēng)電場(chǎng)、甘肅玉門昌馬風(fēng)電場(chǎng)等多個(gè)海上及陸上風(fēng)電場(chǎng)。

5 結(jié)論

齒輪箱累計(jì)沖擊檢測(cè)算法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱趨勢(shì)管理與故障診斷方面發(fā)揮了重要作用。該算法通過(guò)常規(guī)的振動(dòng)加速度傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，得到了齒輪箱沖擊檢測(cè)的多個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)，如累計(jì)沖擊次數(shù)、累計(jì)沖擊能量及累計(jì)沖擊率，這些參數(shù)可以全面地衡量齒輪箱故障的嚴(yán)重程度，并進(jìn)行獨(dú)立報(bào)警。在經(jīng)過(guò)上萬(wàn)臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用與驗(yàn)證后，確認(rèn)通過(guò)該算法，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可及早發(fā)現(xiàn)并定位風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的故障，并提示用戶進(jìn)行關(guān)注和采取相關(guān)維護(hù)工作，這樣可大大降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)由非計(jì)劃停機(jī)所引起的發(fā)電量損失，并為預(yù)測(cè)性維護(hù)提供專業(yè)準(zhǔn)確的分析建議。

[1] 謝源,強(qiáng)玨嫻.大型兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,12(4)： 271-275.

[2] 王志新,陳琳.風(fēng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)故障的智能診斷方法[J].中小企業(yè)管理與科技(中旬刊),2016(8)： 287.

[3] 孫黎,石鵬飛,代海濤,等.風(fēng)電齒輪箱低速級(jí)行星架極限強(qiáng)度分析[J].機(jī)械制造,2017,55(8)： 43-46.

[4] 陳文濤,謝志江,陳平.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障監(jiān)測(cè)與診斷[J].機(jī)床與液壓,2012,40(3)： 167-169.

[5] 葉青,薛惠芳.1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)行星齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真[J].機(jī)械制造,2013,51(6)： 17-19.

[6] 豐田利夫.設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)診斷的開(kāi)展方法[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[7] 張正松,傅尚新,馮冠平,等.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[8] 韓捷,張瑞林.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理及診斷技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[9] PRASHAD H. Diagnosis of Failure of Rolling-element Bearings of Alternators—A Study[J]. Wear,1996,198(1-2)： 46-51.

[10] WIJNANT Y H, WENSING J A, NIJEN G C. The Influence of Lubrication on the Dynamic Behaviour of Ball Bearings[J]. Journal of Sound and Vibration，1999，222(4)： 579-596.