谷泉

（遼寧科技學(xué)院，遼寧 本溪 117004）

1 風(fēng)力發(fā)電齒輪箱故障診斷方法研究現(xiàn)狀

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，我國對風(fēng)力發(fā)電齒輪箱故障診斷方法的研究也更加深入。當(dāng)前所常用的風(fēng)力發(fā)電齒輪箱故障診斷方法共有三種，而通過對風(fēng)力發(fā)電齒輪箱故障診斷方法的原理進(jìn)行分類，其故障診斷方法大致可以分為三類，其分別是振動分析法、油液分析法以及聲發(fā)射技術(shù)。眾所周知，齒輪箱及其軸承在運(yùn)動過程中難免會出現(xiàn)一些振動，而振動分析法便是通過對齒輪箱及軸承的振動情況進(jìn)行分析，從而對風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱進(jìn)行故障診斷的方法。振動分析法主要是依靠振動感測器對風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中齒輪箱的振動情況進(jìn)行監(jiān)測的。若齒輪箱的振動幅度及頻率過高，那么則表示齒輪箱出現(xiàn)了故障。與振動分析法所不同的是，油液分析法是依據(jù)齒輪箱中的油液成分進(jìn)行分析，從而判斷其是否出現(xiàn)故障的診斷方法。當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)故障導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生摩擦?xí)r，其油液中便會出現(xiàn)磨粒，而工作人員可以通過對磨粒的大小及數(shù)量進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對齒輪箱的故障診斷。聲發(fā)射技術(shù)是一種無損機(jī)械診斷技術(shù)，該技術(shù)可以直接通過對應(yīng)力波進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備的診斷。在上述三種診斷方法中，最常用的便是振動分析方法。這是由于油液分析法往往具有較強(qiáng)的局限性，而聲發(fā)射技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)無損檢測，但其檢測準(zhǔn)確度卻往往較低。在本文中所提到的三種故障診斷方法便均屬于振動分析法。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)齒輪箱的故障類型及振動特性分析

2.1 齒輪箱的故障類型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的齒輪箱是一個復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其主要由行星太陽輪、中間軸以及行星輪等零部件所組成。由于在齒輪箱中其各零部件的耦合程度較高，因此在長時間的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中齒輪箱難免會出現(xiàn)一些故障。當(dāng)某一齒輪或軸承出現(xiàn)故障時，其不僅會影響風(fēng)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，同時更會對齒輪箱整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。而在齒輪箱中，最常見的故障類型便是軸承故障以及齒輪故障。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的齒輪箱在長時間的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中其軸承與齒輪的故障率高達(dá)79%，其齒輪箱個部件故障率如表1所示。

表1 齒輪箱個部件故障率

通過上表數(shù)據(jù)可以得知，齒輪與軸承為齒輪箱的主要故障形式，因此為了提升工作人員對齒輪箱的診斷準(zhǔn)確率，其在對齒輪箱進(jìn)行故障診斷時，需加強(qiáng)對齒輪箱中齒輪與軸承的診斷。

2.2 齒輪的失效形式及振動信號特征分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱中的齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會保持一個非現(xiàn)象的系統(tǒng)性振動，因此工作人員便可以根據(jù)齒輪的振動情況對其齒輪箱是否發(fā)生故障進(jìn)行判斷。與此同時，齒輪在故障時也會產(chǎn)生相應(yīng)的故障特征。在齒輪的失效形式中最常見的便是斷齒。斷齒是指齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于受到較大的壓力而出現(xiàn)裂紋或產(chǎn)生斷齒。在出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象時，齒輪的振動頻率往往會出現(xiàn)一定的間隔，而工作人員便可以根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)動時的頻率間隔判斷齒輪是否出現(xiàn)了斷齒現(xiàn)象。其次，齒輪箱中的齒輪在長時間的運(yùn)行過程中也有可能會出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象。齒輪的磨損會直接導(dǎo)致齒輪的咬合面尺寸發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振幅產(chǎn)生較大的變化。最后，齒輪在長期的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中還可能會出現(xiàn)點(diǎn)蝕的現(xiàn)象。點(diǎn)蝕是指齒輪受到重復(fù)性的沖擊進(jìn)而導(dǎo)致齒面產(chǎn)生裂縫等損壞。點(diǎn)蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)將會使其中高頻譜線的增幅較為明顯。

2.3 滾動軸承的失效形式和振動特性

滾動軸承與齒輪相同均是齒輪箱中重要的零部件之一，與齒輪所不同的是，滾動軸承主要由內(nèi)圈、外圈以及滾動體等零部件所組成。在齒輪箱的使用過程中，滾動軸承同樣有可能會產(chǎn)生較大的耗損，進(jìn)而導(dǎo)致其出現(xiàn)故障。滾動軸承最常見的失效形式大致有四種，其分別是磨損失效、疲勞失效以及腐蝕失效與斷裂失效。其中磨損失效主要是指滾動軸承由于長時間的磨損而產(chǎn)生的故障，疲勞失效則是指滾動軸承在使用過程中起滾動體出現(xiàn)脫皮以及裂紋所造成的軸承失效。腐蝕失效則是指滾動軸承中的零部件由于受到水蒸氣以及腐蝕性液體腐蝕所導(dǎo)致滾動軸承失效。最后斷裂失效是指滾動軸承由于自身質(zhì)量等原因所產(chǎn)生的斷裂故障。與齒輪相似，滾動軸承在出現(xiàn)失效現(xiàn)象時，也會對其振動頻率產(chǎn)生不同程度的影響，而工作人員便可以據(jù)此對滾動軸承進(jìn)行診斷。

3 當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷方法

3.1 集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)和Tageaer能量算子解調(diào)的齒輪箱故障診斷

在上文中曾提到，齒輪箱中齒輪與滾動軸承在運(yùn)動時均

會產(chǎn)生非線性的振動，而經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解技術(shù)便可以將其非線性的振動型號分解為多個IMF振動信號，從而實(shí)現(xiàn)對其的精準(zhǔn)分析。但由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)在對非線性振動信號進(jìn)行分解與分析過程中還會出現(xiàn)端點(diǎn)效應(yīng)，進(jìn)而影響其數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度。因此，為了進(jìn)一步加強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)技術(shù)對振動信號的分析準(zhǔn)確度，工作人員在利用該技術(shù)對齒輪箱振動信號進(jìn)行分析時，其還需要在原信號中重復(fù)添加白噪聲，從而抑制其端點(diǎn)效應(yīng)等弊端。此外，在齒輪箱振動過程中還極有可能會導(dǎo)致其信號出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，因此為提升工作人員的診斷準(zhǔn)確度，工作人員還要對已測量的IMF信號進(jìn)行篩選，并結(jié)合Teager能量算子解調(diào)技術(shù)對其信號分量進(jìn)行細(xì)致診斷。

這一故障診斷方式不僅僅可以有效避免EMD中端點(diǎn)效應(yīng)等弊端對齒輪箱故障診斷結(jié)果的影響，同時更可以基于齒輪箱的瞬時振幅信號對其進(jìn)行故障診斷。

3.2 基于改進(jìn)K均值算法的齒輪箱故障診斷

雖然基于EEMD方法與模式識別方法相結(jié)合的齒輪箱故障診斷方式可以應(yīng)用于多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱故障診斷中，并且其也有效降低了端點(diǎn)效應(yīng)對齒輪箱故障診斷準(zhǔn)確度的影響。但這一故障診斷方式對于樣本訓(xùn)練的質(zhì)量與數(shù)量均具有較高的要求。這一診斷方法的主要原理便是依據(jù)主成分分析法對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，從而實(shí)現(xiàn)對不同故障程度的檢測與診斷。

4 結(jié)語

綜上所述，齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中極為重要的零部件之一，若其發(fā)生故障將會直接影響風(fēng)力發(fā)電過程中風(fēng)能與電能的轉(zhuǎn)化。因此，為了避免此類問題的出現(xiàn)，工作人員需要定期對齒輪箱進(jìn)行檢測并在發(fā)現(xiàn)故障時對其進(jìn)行故障診斷。當(dāng)前最常用的故障診斷方式便是振動分析法，在這一方法中，集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)和Tageaer能量算子解調(diào)的齒輪箱故障診斷以及基于改進(jìn)K均值算法的齒輪箱故障診斷均是較為常用的齒輪箱故障診斷方式。與其余故障診斷方式相比，上述兩種方式不僅僅適用范圍更廣，同時診斷準(zhǔn)確率也更高。但集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)和Tageaer能量算子解調(diào)的齒輪箱故障診斷這一診斷方式仍具有樣本需求過高等劣勢，相信隨著科技的逐步發(fā)展，工作人員將會對現(xiàn)有的機(jī)械診斷方式進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。