尚斌

（魯能新能源（集團(tuán)）有限公司河北分公司，河北 張家口 075000）

近些年伴隨著新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電這一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的清潔能源開(kāi)發(fā)方式逐漸被世界各國(guó)所認(rèn)可。近些年有多個(gè)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機(jī)組在20年的運(yùn)行周期內(nèi)維修成本占據(jù)整個(gè)生產(chǎn)效益的25%，其中傳動(dòng)鏈發(fā)生機(jī)械故障是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)被迫停機(jī)的主要因素。在風(fēng)機(jī)當(dāng)中齒輪箱屬于主要的傳動(dòng)設(shè)備，所以對(duì)齒輪箱的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是保障風(fēng)機(jī)運(yùn)行效益的關(guān)鍵。

1 風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)規(guī)律

當(dāng)前，最為普遍的齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般是以振動(dòng)信號(hào)為主，應(yīng)用相應(yīng)的處理方式對(duì)振動(dòng)信號(hào)實(shí)行相應(yīng)分析，從信號(hào)的時(shí)域、頻譜當(dāng)中尋找到關(guān)鍵的齒輪故障信號(hào)成分，并從中獲得齒輪箱的故障類(lèi)型。但是，應(yīng)用基于振動(dòng)信號(hào)的方式對(duì)風(fēng)電齒輪箱實(shí)行相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以基本明確兩個(gè)方面的問(wèn)題：一方面風(fēng)電齒輪箱一般會(huì)涉及到行星輪系與定軸輪系，其均屬于典型的復(fù)雜化齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，振動(dòng)的信號(hào)成分相對(duì)于定軸齒輪箱更加繁瑣；另一方面是根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式而言，一般都需要齒輪箱的轉(zhuǎn)速相對(duì)保持穩(wěn)定。但是風(fēng)電機(jī)組因?yàn)闀?huì)直接受到來(lái)自風(fēng)速的影響，所以在變速轉(zhuǎn)動(dòng)工作情況下促使基于振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式實(shí)施難度比較高。為了更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有必要先分析轉(zhuǎn)速波動(dòng)并對(duì)風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的規(guī)律，并借助相應(yīng)的方式消除或降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)于整個(gè)振動(dòng)過(guò)程的影響，進(jìn)而將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成可以應(yīng)用于風(fēng)機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息。下面對(duì)多個(gè)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際監(jiān)測(cè)中所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，從而明確風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速對(duì)于齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)影響規(guī)律。

2 風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析

（1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。下面以某風(fēng)力發(fā)電廠的SL1500型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其主要是由葉片、齒輪箱以及發(fā)電機(jī)等構(gòu)成，其中齒輪箱的結(jié)構(gòu)屬于兩級(jí)行星添加一級(jí)定軸，風(fēng)機(jī)振動(dòng)主要是以CSM在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，同時(shí)分布在密集儲(chǔ)存區(qū)與稀疏儲(chǔ)存區(qū)兩個(gè)方面，密集儲(chǔ)存區(qū)主要是以目前時(shí)刻向前推大約50d，這一區(qū)域的數(shù)據(jù)普遍間隔為3h45min，稀疏儲(chǔ)存區(qū)主要是以密集儲(chǔ)存區(qū)之前的所有歷史記錄，這一區(qū)域的數(shù)據(jù)間隔時(shí)間大約為1d。每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的采樣頻率均在轉(zhuǎn)速達(dá)到25600Hz，在低轉(zhuǎn)速時(shí)保持在2560Hz以上，數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度均以102400為標(biāo)準(zhǔn)，完成對(duì)所有數(shù)據(jù)的測(cè)量與儲(chǔ)存工作。

風(fēng)力發(fā)電廠的某臺(tái)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)到齒輪箱存在故障，并選擇這一風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的一組振動(dòng)信號(hào)以及故障運(yùn)行時(shí)的一組振動(dòng)信號(hào)，同時(shí)對(duì)兩個(gè)信號(hào)以時(shí)域波的方式表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)，其分別為圖1與圖2。通過(guò)圖1與圖2的對(duì)比可以基本明確，齒輪箱在正常運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)的幅度并不大，但是在齒輪箱發(fā)生故障的情況下，振動(dòng)信號(hào)的幅度有明顯的提升，同時(shí)信號(hào)當(dāng)中會(huì)存在比較突出的周期性調(diào)制成分。

圖1

圖2

針對(duì)上述數(shù)據(jù)，為了更好的明確齒輪箱振動(dòng)信號(hào)在整個(gè)使用周期當(dāng)中的變化狀況，提取出關(guān)于振動(dòng)信號(hào)的有效值數(shù)據(jù)，同時(shí)以時(shí)域波形圖方式表現(xiàn)出來(lái)，最終發(fā)現(xiàn)有效值在整個(gè)壽命周期中會(huì)呈現(xiàn)出不斷上升的狀態(tài)，因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速會(huì)存在實(shí)時(shí)性的波動(dòng)，整個(gè)周期內(nèi)的所有有效值會(huì)表現(xiàn)出比較突出的波動(dòng)性，這對(duì)于風(fēng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及衰退的趨勢(shì)影響也比較突出。對(duì)此，需要不斷的深入探討轉(zhuǎn)速對(duì)于振動(dòng)信號(hào)的影響規(guī)律，并且需要采取針對(duì)性措施降低轉(zhuǎn)速對(duì)于振動(dòng)的相應(yīng)影響。

（2）降低轉(zhuǎn)速的影響。按照上述所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)用下列的轉(zhuǎn)化公式對(duì)振動(dòng)的信號(hào)有效值進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，并降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的有效性影響分析，風(fēng)機(jī)額定的轉(zhuǎn)速普遍屬于最大的轉(zhuǎn)速，并將風(fēng)機(jī)在任意轉(zhuǎn)速之下的有效值轉(zhuǎn)化為額定轉(zhuǎn)速之下的有效值相當(dāng)量，并最終獲得某時(shí)刻振動(dòng)信號(hào)的有效值=有效值×風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速/某時(shí)刻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)楸敬窝芯克x的風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1800r/min，通過(guò)對(duì)故障機(jī)組在使用壽命當(dāng)中的有效值進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化完成后的有效值當(dāng)量結(jié)果詳情見(jiàn)圖3。從中可以發(fā)現(xiàn)有效值的當(dāng)量提升趨勢(shì)更加突出，局部波動(dòng)有明顯的緩解，同時(shí)可以有效的表現(xiàn)出齒輪箱的健康狀態(tài)，并為齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供有效的數(shù)據(jù)指標(biāo)。

圖3 齒輪箱壽命周期內(nèi)振動(dòng)信號(hào)有效值變化趨勢(shì)

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組當(dāng)中齒輪箱屬于關(guān)鍵性的設(shè)備部件，同時(shí)也是故障發(fā)生率最高、經(jīng)濟(jì)效益影響最為突出的部件。齒輪箱的故障具備維修難度高、時(shí)間消耗大、費(fèi)用成本高等特征，一旦發(fā)生問(wèn)題，必然會(huì)對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)形成直接經(jīng)濟(jì)影響。對(duì)此，有必要提升齒輪箱的工作可靠性，提高整個(gè)發(fā)電機(jī)組的工作穩(wěn)定性，并保持風(fēng)電機(jī)組的工作效益。風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱動(dòng)態(tài)特性的研究對(duì)于提升整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性有著重要的意義和價(jià)值。對(duì)于本次研究所選擇的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱而言，應(yīng)用數(shù)值模擬的方式研究傳統(tǒng)系統(tǒng)的軸系在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)方面的特點(diǎn)，然后為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在齒輪箱方面的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。

通過(guò)多方面研究，最終總結(jié)出下列幾點(diǎn)結(jié)論：第一，風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱軸系運(yùn)行的規(guī)律特點(diǎn)，可以將整個(gè)行星軸系簡(jiǎn)化成為多個(gè)借助無(wú)質(zhì)量彈簧連接的剛性圓盤(pán)，并提出關(guān)于傳遞矩陣與點(diǎn)傳遞矩陣的表現(xiàn)方式，將所有軸系的運(yùn)行制作成為一個(gè)等效的成為制定軸系的運(yùn)動(dòng)，從而提出關(guān)于風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱星輪軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傳遞矩陣模型。第二，應(yīng)用SilidWorks的方式構(gòu)建關(guān)于行星架的三維模型，同時(shí)在導(dǎo)入ANSYS軟件的網(wǎng)格劃分后，所獲得的行星架有限元的分析模型，計(jì)算出行星架的扭轉(zhuǎn)剛度以及等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并分析總結(jié)單元數(shù)目對(duì)于等效扭轉(zhuǎn)剛度與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的針對(duì)性規(guī)律分析，應(yīng)用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的特性分析，并借助對(duì)簡(jiǎn)單軸系與部分復(fù)雜軸系的傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性驗(yàn)證整個(gè)程序的準(zhǔn)確性。第三，按照所需要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪性傳統(tǒng)系統(tǒng)模型，同時(shí)應(yīng)用編制的AMTLAB程序?qū)X輪箱的模型實(shí)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性的分析，計(jì)算傳統(tǒng)系統(tǒng)所具備的頻率和主振型，總結(jié)關(guān)于行星架壁厚對(duì)于系統(tǒng)的固有頻率的影響，從而降低這一影響。通過(guò)單獨(dú)分析系統(tǒng)低速軸所具備的固有特性，提升行星架壁厚對(duì)于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的固有特性影響。國(guó)外有研究者對(duì)于行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，對(duì)于不同的激勵(lì)齒輪動(dòng)態(tài)特性的研究方式，構(gòu)建單級(jí)的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)線性純扭轉(zhuǎn)模型，研究應(yīng)用不同齒形的星星傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的分析，構(gòu)建了涉及制造誤差的非線性動(dòng)力學(xué)模型，這一個(gè)模型可以有效的預(yù)測(cè)出因?yàn)橹圃煺`差而導(dǎo)致的質(zhì)邊頻帶。另外，還有研究借助建立行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的有限元、應(yīng)力動(dòng)力學(xué)模型等分析行星齒輪的動(dòng)力響應(yīng)特性。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，齒輪箱當(dāng)中的齒側(cè)間隙會(huì)導(dǎo)致齒輪之間發(fā)生沖擊，并形成噪音，從而影響齒輪箱的使用壽命，對(duì)于齒輪的動(dòng)態(tài)化特性和荷載特性會(huì)形成直接性的負(fù)面影響。但是借助建立包含側(cè)齒間隙的風(fēng)力機(jī)行星傳動(dòng)系統(tǒng)的平移、扭轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)動(dòng)力學(xué)的方程，可以應(yīng)用相應(yīng)算法對(duì)系統(tǒng)的微分方程進(jìn)行分析，從而明確影響振動(dòng)的主要因素，明確轉(zhuǎn)速對(duì)于齒輪箱振動(dòng)的影響規(guī)律，為后續(xù)的參數(shù)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文簡(jiǎn)要分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪箱振動(dòng)的影響規(guī)律，基本明確了風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)之間的關(guān)系，基本解釋了關(guān)于振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)之間所存在的線性關(guān)系，同時(shí)總結(jié)了關(guān)于任意轉(zhuǎn)速之下振動(dòng)信號(hào)的健康指標(biāo)轉(zhuǎn)化為額定轉(zhuǎn)速，降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)于振動(dòng)信號(hào)的影響。在實(shí)際工作中可以基于本次研究所獲得的結(jié)論，繼續(xù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱健康狀態(tài)進(jìn)行針對(duì)性的研究，力求齒輪箱健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障的自動(dòng)化識(shí)別目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。