（太原重工新能源装备有限公司 山西太原 030051）
摘要：针对风电齿轮箱异常振动情况，应用故障诊断系统对齿轮箱进行振动测试，通过对测点的各种振动信号收集、分析，通过模式识别找到齿轮箱损坏时呈现的特性，判断齿轮箱故障发生位置，为齿轮箱故障诊断提供依据。
关键词：风电齿轮箱；振动测试；故障诊断
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，如图2所示。
1.2齿轮箱主要故障
齿轮箱内一般包含齿轮、滚动轴承和轴这三类零部件，齿轮箱机械故障主要有齿轮损伤、轴承损伤、断轴等。其中齿轮损伤在齿轮箱故障中较易常见，这是由于齿轮受制造材料低劣、加工精度不足、热处理不充分、安装不到位、运转状态不良、操作维护不善等因素影响，当齿轮箱投入使用后，就会导致齿轮产生各种形式的失效。常见齿轮失效形式有：齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳与断齿。
2 齿轮箱振动测试原理及常用测试系统
2.1齿轮箱振动测试原理
齿轮传动系统在运行中，由于受到交变载荷的激励作用产生振动，当零部件发生故障时，激励发生变化，结构振动状态也将发生相应变化。利用加速度传感器测量齿轮箱体的振动信号，通过先进的信号分析方法提取振动信号中的故障特征信息，对信号进行处理、对比分析，判断齿轮箱内部发生的故障，并对故障原因、位置、程度等进行分析识别，形成齿轮箱运行状态的综合分析结果，为故障诊断提供有效信息。
2.2风机振动分析方法及常用测试系统
目前，在风力发电机组传动链监测中，经常用到的振动故障分析技术主要有：倒频谱分析技术、包络分析方法、基于时间波形的分析方法、统计特征量分析方法、振动能量分析技术。这些专业的分析方法都有各自的特点，但弊端在于均需要建模和较多的复杂计算，对技术人员的水平要求比较高，这阻碍了以上技术的普及应用，市场需求的是能够快速诊断故障和简便易操作的方法。当前在风电领域应用较广泛的有德国PRUFTECHNIK公司的VIBXPERT和VIBROWEB（XP）、德国FAG公司的FAGXI、通用电气公司的Bently Nevada系统、SKF公司的SKF WindCon系统、东方振动和噪声技术研究所的DASP和西北工大研究所的CAMD—6100、北京唐志科技公司JKO7460风机传动系统故障诊断装置。近两年，在线振动监测系统成了风机的标配，但当风机主传动链出现故障仍需依靠运维人员进入机舱应用故障诊断系统对故障部件进行专门测试分析。
3 齿轮箱振动测试及故障诊断
3.1振动测试故障诊断程序
以齿轮箱振动测试分析为故障诊断手段的程序分为四个阶段：测点信号采集、特征信号提取、故障特征信号分析与诊断、故障部位检查。
3.2测点布置及信号采集
测点的位置布置与安装对设备运行状态识别和故障诊断至关重要的，它关系到振动信号来源的可靠性，所以测点位置选择在从振动源到测点最短的传递路径上，以最大量获取响应信号中所包含的系统状态信息。传感器安装主要有贴片固定和在齿轮箱上打孔用螺栓固定两种方式，贴片布置传感器操作简便，打孔固定操作稍复杂但综合考虑设备的频响效果和灵敏度等因素，使用螺栓来对传感器进行固定效果更佳。通过在故障齿轮箱易发生故障部位安装加速度传感器，通过数据线连接故障诊断系统，采集振动信号，找出齿轮箱的主要振动频率。齿轮箱易发生故障部位的测点安装如表1及图3所示。
3.3振动信号处理及分析
各测点的振动信号通过数据线传递到状态监测系统的数据采集装置中，振动信号分析主要依靠振动分析软件。通过软件处理振动信号转换为不同时域和频域的曲线图和数据，振动波形曲线主要有不同转速下各测点振动波形图、冲击振动加速度波形图、特定频率范围内功率谱、振动加速度包络谱。振动数据主要是振动加速度特征值，包括输入信号的峰值、峰峰值、均值、绝对均值、均方值、有效值、方差、标准差，方根幅值、斜度、峭度、波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、峭度指标等16个参数。由于齿轮箱内各个部件结构参数不同，所引起的振动信号的频率、幅值就不同，所以当某一个部件出现故障时就会出现特定与其相对应的振动信号，通过对振动信号的分析就能得出齿轮箱的故障范围和性质。
4 结论
振动测试分析是设备故障诊断可靠、有效的分析方法。通过状态监测系统监测齿轮箱的振动情况来分析它的运行状态，应用故障诊断系统进行故障早期的预诊断，防止故障向严重化方向发展，使故障分析成为一种简易的方法。基于振动测试分析风电齿轮箱故障的方法可在不拆卸、不破坏设备和不影响其正常运行的条件下，对设备进行诊断，及时制定出解决的措施，大大降低了工作量，提高了运行可靠性，保证齿轮箱安全、稳定运行。
参考文献：
[1]丁康，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[M].北京：机械工业出版社，2005：91-109
[2]张玉.基于振动信号分析的齿轮箱故障诊断[J].仪器仪表与分析监测，2011.1：20-25
论文作者:马晓东
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/24
标签：齿轮箱论文; 信号论文; 故障论文; 故障诊断论文; 齿轮论文; 测试论文; 方法论文; 《电力设备》2017年第21期论文;