摘要：风电机组工作环境非常恶劣，其齿轮箱常年承受随机风的动载荷和疲劳循环，加上酷暑和极端温差的影响，是失效率最高的部件之一。风电齿轮箱作为风力机组中最重要的部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。因此，研究计及工况的风电齿轮箱性能退化及状态评估对预测齿轮箱运行状态趋势、制定机组维修计划、提高机组运行可靠性等具有重要的理论意义。
关键词：风电齿轮箱；性能退化；计及工况；状态评估
1 风电齿轮箱简介及常见故障
1.1风电齿轮箱简介
齿轮箱是风电机组主传动链中的关键部件，它在风力发电过程中起到将风轮输入的较低转速提升为满足发电机所需的转速，将风轮获得的动能传递给发电机转换为电能的作用。一般风力发电机组增速系统齿轮采用一级行星加两级平行轴的三级轮系传动，如图1所示。从左到右为输入级也即第一级，是由行星轮系构成，行星轮系有三个行星轮，第二级为中间级由一个定轴轮系构成，为外啮合的斜齿圆柱齿轮，第三极为输出级由定轴轮系构成，为外啮合的斜齿圆柱齿轮传动.
1.2齿轮箱主要故障
常见的齿轮箱故障，主要有以下三大类。第一种是由于齿轮箱润问题所引发的故障。齿轮箱的润滑出现问题，会直接损坏齿轮箱的轴承与齿面；导致润滑故障的主要原因包括：齿轮箱温度不够高使得润滑剂流动性欠佳，无法进入全部润滑部位；润滑剂自身散热功能不佳导致实效；齿轮箱滤芯堵塞造成润滑剂无法发挥作用。第二种是齿轮箱设计问题所引发的故障。我国风力发电起步较晚，相关技术不够成熟，齿轮机组的设计大多采用仿制的方式，这也使得齿轮箱的参数精度不够精准，导致齿轮箱的设计方面存在一定隐患[3]。第三种是齿轮箱的振动故障。齿轮箱在运转过程中，必然会产生各种振动，因此振动引发的故障也是最为常见的，比如齿轮箱部件共振导致的故障，振动幅度过大引发的齿轮断裂等等。
2工况变化对齿轮箱性能的影响
风电设备的运行环境是在野外，要经受风吹、雨淋、沙打、腐蚀等各种极端恶劣工况和自然界风速风向变化无常而产生的复杂交变及冲击载荷，这对风电机组的安全运行带来不小的影响，如何估计外部工况变化下设备的故障是目前研究的一个热点。研究表明，暴露于户外的风电系统及其组件，其故障与所处的工况情况相关。在恶劣工况条件下，组件的故障可能比较大。风电齿轮箱的运行往往很大程度上依赖于风速情况。一般而言，短时的风速不会有太大波动，而且机组本身设有保护装置，比如偏航、变桨等机构都确保齿轮箱平稳运行。然而机组的工作环境毕竟在室外，冰霜、沙尘、雷击、盐雾等形式的恶劣工况都会对机组组件产生严重的影响，破坏齿轮箱的正常运行。本节选取风速、温度因素对齿轮箱的性能影响加以分析。
2.1 风速对齿轮箱性能的影响
我们国家的地理特征复杂，气候类型复杂多变，大陆性季风气候显著，安装在户外的风电机组可能会受到超过其设计风速的强阵风，这种条件下采取的紧急制动使齿轮箱将承受巨大的冲击载荷，这种尖峰负荷可能会超过齿轮的极限强度引起齿面断裂或断齿等故障。另外风电场时大时小的风速不断变化将会影响齿轮应力和强度干涉区的分布，并进一步影响风电齿轮箱的性能。
2.2 温度对齿轮箱性能的影响
低温情况下，叶片的气动性能和载荷、机组零部件如齿轮箱的性能方面都将承受负面影响，可能会造成主要部件失效，发电量下降，情况严重时甚至会引起恶性的安全事故。北方的冬季气温很低，部分风场气温低到-40℃，常温型齿轮箱承受的低温是-20℃，即使是低温型齿轮箱最低运行温度也不过-30℃。长时间的低温运行，齿轮箱内的润滑油变得粘稠，采用飞溅润滑的部位得不到充分润滑。另外，低温时的齿轮箱在承受交变的冲击载荷情况下可能会发生脆性断裂。并且，低温下机组的紧急制动对齿轮箱的冲击很大，也影响其性能。
3计及工况的风电齿轮箱性能退化及状态评估
3.1计及工况的风电齿轮箱性能退化及状态评估
在齿轮传动投入使用之后，为了确保正常生产秩序、提高经济效益并确保生产安全，必须对齿轮传动的故障做到早知道早预防。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而不是等到齿轮失效发生后才处理。为此，研究齿轮状态评估就有特别重要的现实意义。齿轮箱性能与其自身健康状况、外部工况条件密切相关。在性能退化过程中，齿轮箱的故障会逐渐形成并恶化。性能一旦到退化一定程度，即形成相应的故障，即故障是性能退化的特殊形式。齿轮传动主要通过旋转啮合传递力和运动，而旋转啮合必将产生某种形式的机械振动。当齿轮传动发生故障时，如齿面磨损、点蚀、变形、制造或安装误差等将改变正常的齿轮啮合振动的形式，也即在这些振动信号中，必然包含有齿轮故障的特征信息。监测、分析这些故障信息就可实现齿轮传动的故障诊断。而从这些振动信号中提取和分离与齿轮故障特征有关的微弱信号则是故障诊断的关键和难点。目前使用的主要方法可分为以下几类：
（1）解调分析法
由于齿轮轴的转频、载荷波动、故障等调制齿轮啮合频率，齿轮传动的振动信号频谱常常表现为啮合频率及其谐波边带。当齿轮工作正常时，这些振动频谱基本保持不变；而当齿轮出现故障时，频谱边带和幅值将发生变化。如轮齿发生裂纹，故障齿轮每转都会产生一次局部调制。若对振动信号进行解调，并从时域变换到频域分析，往往能得到更多的特征信息。基于解调思路的方法主要有倒频分析、包络分析等。
（2）统计分析法
对于高斯信号，其统计特性可由其均值（一阶矩）和方差（二阶矩）来描述。而对于非高斯信号，就需要用更高阶的统计量来描述。在齿轮早期故障时，振动和噪声信号中故障调制信息微弱，常常被淹没在噪声之中。基于 Hilbert 变换构造解析信号，然后计算包络信号的高阶统计量，从而提取机械故障特征。该方法可以较容易地将正常齿轮信号和齿轮裂纹、断齿的信号分离。
（3）智能诊断法
针对齿轮轮齿的智能故障诊断法主要包括神经网络、灰色理论、失效树分析、专家系统等。其中神经网络和灰色理论应用更广泛，神经网络由于在非线性问题的自学习和在线预报方面有很强的优势，目前已经在轮齿的失效诊断和预报方面得到了广泛的应用；而灰色理论系统中由于只有部分信息已知，在将灰色系统应用于轮齿的故障诊断时，把带有故障的齿轮系统抽象为一灰色系统，将系统的灰色建模，灰色聚类等数学方法与信号处理技术有机结合，达到系统预见的发展状态，从而到轮齿故障的内在情况。
2.2风电齿轮箱状态评估的发展趋势
由于齿轮箱结构复杂，工作环境恶劣，未来齿轮箱的状态监测和故障诊断发展更应与前沿科技相融合，具体来说表现在以下几个方面：
（1）对齿轮箱的故障和振动机理展开深入理论研究。由于齿轮箱结构复杂，工作条件多样，诊断中涉及到的问题较多，对其故障和振动产生机理研究还不透彻，大多是一些定性的结论。建立完整的数学模型进行定量分析还存在相当大的难度，因此要加大基础理论研究。
（2）与最新传感器技术的融合。如激光测试技术，近年来，激光技术已经从军事、医疗、机械加工等领域深入发展到振动测量和设备故障诊断中，并且已经成功应用于测振和旋转等机械中。
（3）与最新的信号处理方法融合。随着新的信号处理方法在设备故障诊断领域中的应用，传统的基于快速傅里叶变换的信号分析技术有了新的突破性进展。
4结束语
齿轮箱作为机械设备的重要结构部件，状态评估得到了广泛的重视。齿轮箱状态评估是一门建立在多学科基础上的交叉学科，研究齿轮箱状态评估技术是一项复杂的任务，要求在多方面用新的眼光来洞察新情况、新问题，用创新的思维研究新规律，总结新经验、新方法。齿轮箱故障诊断是一个复杂的系统工程，涉及学科多、技术方法多，因此要对齿轮箱状态评估进行深入研究，就要加强齿轮箱振动机理的研究，进而建立完整的数学模型；研究有效的齿轮箱状态评估方法，并进行多方法融合状态评估；构造专家知识库，进行人工智能、模式识别和神经网络方面的探索。
参考文献：
[1]高胜利.赵小荣.申强.风力发电机组齿轮箱故障诊断[J].电力与电子技术.2011.10：45
[2]马玉峰.风电机组齿轮箱故障趋势预测方法研究[D].华北电力大学.2013
[3]杜亮.风电机齿轮箱常见故障分析、诊断与预防[J].内蒙古电力技术.2011.02：15-18
论文作者:张红兵
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/6/4
标签：齿轮箱论文; 齿轮论文; 故障论文; 风电论文; 工况论文; 机组论文; 性能论文; 《电力设备》2018年第36期论文;