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摘要：齿轮箱运行的稳定对于保证风力发电系统的正常运行有着重要的作用，要想保证齿轮箱运行的稳定，对其故障的诊断至关重要。只有通过合理的故障诊断，才能够判断出齿轮箱的故障部位、故障程度，才能够采取针对性的预防措施和维修措施，从而有效降低故障损失。并用MATLAB 软件仿真其振动信号，对比正常运行与发生故障时的频域信号波形并进行了分析。
关键词：风力发电机; 齿轮箱; 故障诊断; MATLAB 数字仿真
随着可持续发展和环保意识的不断加强，各种清洁能源近年来发展迅猛，其中，风力发电就是各国研究和应用的重点领域。在对大型风电机组的研发中，齿轮箱是关键部件之一，是风力发电机组主要变速、能量传递部件，它的运行是否正常涉及整机的工作性能。风能的开发和利用逐渐受到重视，齿轮箱是风力发电机组中的重要传动设备， 其运行的稳定对于保证风力发电机组的正常运行至关重要。
一、风力发电机组齿轮箱故障诊断的必要性
齿轮箱是风力发电组中的重要传动设备，其能够将风力作用转化为发电机发电的动力，齿轮箱有着体积大、质量大、结构复杂的特点，这就使得其在运行的过程中易出现故障，从而影响风力发电机组的运行。近年来， 因齿轮箱故障而引起风力发电机组停运的事件屡见不鲜，齿轮箱的故障会造成巨大的电力损失，同时提升了工作人员的工作量， 这就需要对风力发电机组齿轮箱故障进行有效的诊断。就目前来看，人工巡检和定期维护是风力发电机组齿轮箱故障检测的主要方式， 但这种方式有着一定的滞后性，诊断的准确性难以得到保证，企业工作人员往往在齿轮箱出现故障而导致机组无法运转的情况下才进行诊断，这种诊断属于事后诊断，齿轮箱结构复杂，零部件成本较高，事后诊断不仅延误了机组运行且经济损失严重， 这就需要对齿轮箱进行在线监测和故障诊断， 只有这样才能够及时发现并预防齿轮箱故障的产生，从而将损失降低到最低。
二、齿轮箱的故障机理以及相关诊断的选择
齿轮箱的故障诊断对于保证风力发电机组的正常运行有着重要的意义，要想实现有效的诊断，保证诊断的准确性和及时性，就要合理的选择诊断技术，并了解齿轮箱的主要故障机理。
1、基于振动系统的故障诊断。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆齿轮箱中的主要结构相当于一个振动系统， 从振动形式上来说，可以将齿轮箱的振动分为两种：①常规振动：常规振动中，齿轮箱的故障以及齿轮的误差并不会对振动产生影响；②非常规振动：在齿轮箱的非常规振动中，齿轮箱的故障以及误差会对振动产生影响， 这种影响和齿轮箱的故障函数与综合刚度相关。齿轮正常状态和故障状态会产生两种振动水平
差异明显的振动， 这种振动水平的差异性会在频谱上反映出来，不同齿轮箱的故障所产生的振动频率也不尽相同，振动信号啮合频率分量也有差异， 可以以此为依据进行齿轮箱的故障诊断。
此外， 不同齿轮振动产生的振动信号和噪声信号也不相同，可以以此为信息载体进行齿轮箱故障的精密诊断，可以选择基于信号处理的故障诊断技术，例如时域分析技术、频域分析技术等，但需要注意的是，时域分析技术会受到各种环境因素的影响，因此产生的波形情况较为复杂，这就给故障原因的分析带来了一定的难度， 而频谱分析技术则不会出现这种问题，在下文中会主要介绍齿轮箱的故障诊断技术。
2、基于振动幅值调制的故障诊断。齿轮箱荷载的波动和变化会使其振动幅值出现变化，这就造成了幅值调制， 因此可以根据幅值调制进行齿轮箱的故障诊断，在诊断的过程中需要对齿轮信号进行分析，其中齿轮轴的旋转频率信号属于调制波的频率信号， 而啮合频率信号属于载波的频率信号。具体来说，齿轮荷载发生变化使得齿轮转速出现波动，体现在振动上就是频率的调制，齿轮在出现故障之后会出现频率调制，调制的结果会在频谱上反映，即出现边频信号。以齿轮副故障为例，如果齿轮副出现初期磨损，则在频谱上会出现与之相对应的特征频率， 此时就可以选择频率测试仪来进行检测，从而确定齿轮副的具体工作状态，判断是否发生故障以及发生故障的类型和原因。
3、基于振动频谱的故障诊断。齿轮在振动的过程中会产生振动频谱， 在振动频谱中有着丰富的信息，齿轮箱故障对于振动的影响方式十分复杂，但这种影响也是有着一定规律的， 即不同的故障会产生不同的齿轮振动频率，且呈现出不同的振动特征，这种特征会在相应的振动频谱线上有所展示，会产生一定的谱线变化，但是这种变化在频谱上的辨认相对困难。因此可以采取在线监测的方式， 在齿轮箱正常运行的情况下可以采集一个振动频谱作为基准频谱，并对齿轮箱的整个运行进行在线监测，通过齿轮箱运行过程中与基准频谱之间的比较来完成齿轮箱故障的诊断与监测。
三、齿轮箱振动信号模型与MATLAB 仿真
1、齿轮箱振动信号模型
齿轮箱正常工作时振动信号模型为:
2、MATLAB 信号仿真。该齿轮箱采用的是一级行星加上两级圆柱齿轮传动方式。它主要具有如下特点: 低速级为行星传动，传动效率高，体积小，重量轻，有效减轻机舱重量;行星轮结构简单，制造方便; 多个行星轮使功率分流，可以传递较大的功率; 合理使用了内啮合，轴向尺寸小，采用无多余约束浮动，浮动效果好。对齿轮箱和主轴信号的采集是通过振动传感器来实现的。在风力发电机正常运行时进行信号采集，将采集到的信号处理保存，在某一次风力发电机运行异常时对信号进行采集。根据查明故障的严重等级确定适当的报警限，通过对正常运行和异常运行时的频谱进行对比，找出发生故障频谱的变化情况。通过对频谱变化的归类进行总结来确定故障发生的部位，实现对风力发电机运行的实时监控，以避免严重的故障产生。用MATLAB 对齿轮箱的故障信号x ( t) 进行仿真后得到的图形如图所示。
齿轮发生故障时，其振动信号往往表现为齿轮的转动频率对啮合频率及其倍频的调制，在谱图上形成以啮合频率为中心，两个等间隔分布的边频带。对x( t) 进行傅里叶变换后所得到的谱，是以啮合频率及其2 倍频为中心，以调制频率( 旋转转频) 及其2 倍频为间隔形成的2 对调制边频带。调幅后的振动信号，频率调制的原因主要是齿轮啮合刚度函数由于齿轮加工误差和故障的影响而产生了相位变化，这种相位变化会由于齿轮的旋转而具有周期性。
由于得到的信号图形中峰值比较密集以致于无法判断各个峰值的大小，此时可以利用频谱细化技术对得到的图形进行细化，以便能够准确地从图形中得到各个峰的准确信息。频谱细化技术对特定的振动信号进行分析是非常有效的，它可以作为频谱分析的辅助方法。
总之，齿轮箱故障会影响到整个风力发电机组的运行，从而造成重大损失，这就需要对齿轮箱故障进行有效的诊断。由于风力发电机组受无规律的变向、变负载的风力作用以及强阵风的冲击，工况极不稳定，而且当故障发生时，对于风力发电机组的齿轮箱会同时有多对齿轮啮合的振动频谱图，每对齿轮啮合都会产生其边频带。所以经常对齿轮箱维护清理减少故障发生，是必不可少的。
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论文作者:王昶旭
论文发表刊物:《防护工程》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/27
标签：齿轮箱论文; 故障论文; 频谱论文; 信号论文; 齿轮论文; 频率论文; 故障诊断论文; 《防护工程》2018年第22期论文;