丁 顯，徐 進(jìn)，湯海寧，宮永立，滕 偉

（1.魯能集團(tuán)有限公司，北京 100020；2.國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，南京 210061；3.華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

風(fēng)電場(chǎng)多分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)的高原、丘陵或草原上，往往受到惡劣環(huán)境條件的影響，尤其是風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)，如主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器和發(fā)電機(jī)等極易發(fā)生故障。及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、診斷故障，并解決故障是保證風(fēng)電機(jī)組可靠運(yùn)行的有力保障。

風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈故障診斷的關(guān)鍵是提取相關(guān)部件發(fā)生故障的典型故障特征，相關(guān)文獻(xiàn)從不同角度和方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈相關(guān)部件進(jìn)行了討論與研究。文獻(xiàn)[1]針對(duì)行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)具有非線性、非平穩(wěn)性以及故障特征提取困難的問(wèn)題，應(yīng)用EMD－SVD與概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的故障診斷方法對(duì)行星齒輪箱進(jìn)行了故障診斷研究。文獻(xiàn)[2]闡述了應(yīng)用固有時(shí)間尺度分解的方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組調(diào)心滾子軸承故障振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，提取主要分量的瞬時(shí)幅值，對(duì)瞬時(shí)幅值進(jìn)行頻譜分析，以獲取風(fēng)電機(jī)組的軸承故障特征。文獻(xiàn)[3]提出了一種集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與峭度-相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)則和多特征量提取的風(fēng)電機(jī)組軸承故障程度的診斷方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組軸承故障早期處于輕度、中度和重度3種相對(duì)故障程度的準(zhǔn)確分類(lèi)和識(shí)別。文獻(xiàn)[4]提出了基于變分模態(tài)分解（VMD）、AR模型以及奇異值分解的特征提取方法，將滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)分解成若干個(gè)模態(tài)，采用每個(gè)模態(tài)AR模型參數(shù)、模型方差以及模態(tài)矩陣的奇異值作為特征向量，建立歐氏距離判別函數(shù)，來(lái)識(shí)別滾動(dòng)軸承狀態(tài)和故障類(lèi)型，可以成功提取滾動(dòng)軸承故障特征信息并正確判斷滾動(dòng)軸承故障類(lèi)型。文獻(xiàn)[5]提出一種將小波包分解與包絡(luò)分析以及樣本熵快速算法相結(jié)合的特征提取方法，通過(guò)分析不同風(fēng)速條件下風(fēng)電機(jī)組軸承振動(dòng)信號(hào)，該方法能夠有效地反映風(fēng)機(jī)故障發(fā)展趨勢(shì)，為風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)維護(hù)決策的制定提供依據(jù)。以上研究都取得了一定成效，但都是應(yīng)用相關(guān)算法從風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈的某部件單一角度進(jìn)行詳細(xì)分析，不能適用于風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈大多數(shù)典型故障特征的提取，普適性不強(qiáng)。

本文在介紹風(fēng)電齒輪箱特征頻率計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出了基于振動(dòng)信號(hào)分析的故障特征提取方法，并根據(jù)理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用齒輪箱特征頻率和典型故障振動(dòng)信號(hào)基本特征相結(jié)合的分析方法，分析了行星級(jí)齒輪磨損、中間軸小齒輪崩齒、高速軸齒輪崩齒和發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕等典型故障振動(dòng)信號(hào)的基本特征。結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電傳動(dòng)鏈典型故障特征的提取，且能對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈大多數(shù)典型故障進(jìn)行有效識(shí)別，普適性強(qiáng)。

1 風(fēng)電傳動(dòng)鏈基本結(jié)構(gòu)

雙饋型風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈主要由主軸及軸承、齒輪箱、聯(lián)軸器和發(fā)電機(jī)組成，有“三點(diǎn)支撐”、“兩點(diǎn)支撐”和“內(nèi)置式支撐”等結(jié)構(gòu)布置類(lèi)型[6]。直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈沒(méi)有齒輪箱，運(yùn)行時(shí)葉輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，該類(lèi)型機(jī)組按照發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，可分為外轉(zhuǎn)子型和內(nèi)轉(zhuǎn)子型。

2 風(fēng)電齒輪箱特征頻率計(jì)算方法

2.1 一級(jí)行星+兩級(jí)平行結(jié)構(gòu)齒輪箱特征頻率計(jì)算

圖1為一級(jí)行星+兩級(jí)平行的風(fēng)電齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 一級(jí)行星+兩級(jí)平行的風(fēng)電齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of wind turbine gearbox with one planetary stage and two ordinary stages

行星級(jí)的嚙合頻率（fPS）為

式中：f1，f2分別為葉輪、太陽(yáng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；Zr，Zs分別為齒圈、太陽(yáng)輪的齒數(shù)。

定軸輪系中間級(jí)（fIS）和高速級(jí)（fHSS）的嚙合頻率分別為

式中：f3，f4分別為中間軸、高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；Zmi，Zmo，Zhi，Zho分別為太陽(yáng)軸大齒輪、中間軸小齒輪、中間軸大齒輪、高速軸齒輪的齒數(shù)。

對(duì)于定軸齒輪傳動(dòng)，當(dāng)軸上某一輪齒出現(xiàn)故障，會(huì)在嚙合過(guò)程中發(fā)生嚙合剛度的周期性波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生以齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻為故障特征的周期性成分，故在太陽(yáng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率已知的情況下，風(fēng)電齒輪箱的f3和f4為

在實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)測(cè)試中，高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率由于振動(dòng)能量較大，相對(duì)于葉輪轉(zhuǎn)頻等更容易被發(fā)現(xiàn)，因此，也可以基于高速軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，利用齒輪箱各級(jí)傳動(dòng)比進(jìn)行反推，得到各齒輪與轉(zhuǎn)軸的嚙合頻率及轉(zhuǎn)頻。

一級(jí)行星+兩級(jí)平行的風(fēng)電齒輪箱總的傳動(dòng)比（r1）為

2.2 二級(jí)行星+一級(jí)平行結(jié)構(gòu)齒輪箱特征頻率計(jì)算

圖2所示為二級(jí)行星+一級(jí)平行的風(fēng)電齒輪箱結(jié)構(gòu)。

圖2 兩級(jí)行星+一級(jí)平行的風(fēng)電齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of a wind turbine gearbox with two planetary stages and one ordinary stage

此時(shí)，第一行星級(jí)的嚙合頻率（fPS1）為

式中：Zr1，Zs1分別為第一級(jí)內(nèi)齒圈、第一級(jí)行星輪的齒數(shù)；f5為第二行星級(jí)轉(zhuǎn)臂5的轉(zhuǎn)頻。

式中：Zr2，Zs2分別為第二級(jí)內(nèi)齒圈、第二級(jí)行星輪的齒數(shù)；f6為第二行星級(jí)太陽(yáng)軸6的轉(zhuǎn)頻。

高速軸7的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率（f7）為

二級(jí)行星+一級(jí)平行的風(fēng)電齒輪箱總的傳動(dòng)比（r2）為

3 風(fēng)電傳動(dòng)鏈故障特征提取方法

3.1 時(shí)域特征

通常采用振動(dòng)加速度傳感器采集風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的振動(dòng)信息，振動(dòng)加速度的單位為m/s2。加速度是傳動(dòng)系統(tǒng)嚙合力和故障狀態(tài)下沖擊力的最直觀表征。在振動(dòng)信號(hào)分析中，常用均值、有效值、方差、方根幅值、偏度指標(biāo)、峭度指標(biāo)等時(shí)域特征來(lái)描述振動(dòng)加速度信號(hào)的特點(diǎn)。

3.2 頻譜分析

振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形及其特征值只能提供相對(duì)直觀、簡(jiǎn)單的故障信息，對(duì)于頻率成分復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)，通常采用傅里葉變換方法將其轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析，信號(hào)中的周期性成分可以在頻譜中得到直觀體現(xiàn)[7]。

連續(xù)信號(hào)x（t）的傅里葉變換定義為

X（f）也稱(chēng)為信號(hào)的頻譜。傅里葉變換是可逆的，其逆變換表達(dá)式為

x（t）和 X（f）為傅里葉變換對(duì)，可以表示為

對(duì)于經(jīng)采樣得到N點(diǎn)長(zhǎng)度的離散振動(dòng)時(shí)間序列x（n），其傅里葉變換稱(chēng)為離散傅里葉變換，正、逆變換式分別為

3.3 包絡(luò)解調(diào)

包絡(luò)解調(diào)是將調(diào)制波與載波分離的技術(shù)，能夠獲得反映故障信息的調(diào)制成分，進(jìn)而判斷零件損傷的部位和程度[8]，[9]。常用的包絡(luò)解調(diào)方法有希爾伯特（Hilbert）變換法、檢波濾波法、循環(huán)平穩(wěn)分析法等。

給定連續(xù)時(shí)間信號(hào) x（t），其 Hilbert變換為

對(duì)式（21）求傅里葉變換，得到解析信號(hào)的頻譜。

包絡(luò)函數(shù)是信號(hào)中調(diào)制規(guī)律的直觀反映，因此，如果能夠計(jì)算出原信號(hào) x（t）的包絡(luò)函數(shù) a（t），就可提取出機(jī)械部件的故障調(diào)制信息，實(shí)現(xiàn)故障解調(diào)。Hilbert變換為包絡(luò)函數(shù)的計(jì)算提供了有效途徑。

4 風(fēng)電傳動(dòng)鏈典型故障特征提取

4.1 行星級(jí)齒輪磨損

風(fēng)電齒輪箱行星輪系一般采用三個(gè)行星輪對(duì)稱(chēng)布置，用于承受來(lái)自葉輪的變速變載沖擊，具有承載均勻、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，屬于低速重載部件，因此，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致磨損及點(diǎn)蝕（圖3）。

圖3 磨損及點(diǎn)蝕的行星齒輪Fig.3 Worn and pitting planet gear

圖4為行星級(jí)齒輪磨損振動(dòng)信號(hào)圖。對(duì)圖4（a）中的長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行拉伸，得到如圖4（c）所示的短時(shí)間信號(hào)，圖中呈現(xiàn)明顯的沖擊振動(dòng)。圖 4（b）為振動(dòng)信號(hào)在[0，2 200 Hz]的功率譜密度，圖中出現(xiàn)明顯的振動(dòng)諧波。圖4（d）顯示振動(dòng)諧波的頻率間隔為41.95 Hz，顯示區(qū)間為[0，400 Hz]。

圖4 行星級(jí)齒輪磨損振動(dòng)信號(hào)Fig.4 Vibration signal of worn planet gear

該故障案例的振動(dòng)信號(hào)圖譜中，41.95 Hz是風(fēng)電齒輪箱行星級(jí)的嚙合頻率，該頻率成分沒(méi)有以調(diào)制成分出現(xiàn)，而是在功率譜中直接密集出現(xiàn)，表明此時(shí)該行星輪系出現(xiàn)嚴(yán)重磨損類(lèi)故障，已經(jīng)跨越了以調(diào)制成分出現(xiàn)的微弱分布式故障階段，應(yīng)立刻停機(jī)檢查并維修。

4.2 中間軸小齒輪崩齒

風(fēng)電機(jī)組中間軸小齒輪崩齒為傳動(dòng)鏈常見(jiàn)的典型故障，通常由點(diǎn)蝕故障下輪齒抗彎強(qiáng)度減弱并承受瞬時(shí)沖擊載荷所致（圖5）。

圖5 中間軸小齒輪崩齒Fig.5 Broken pinion on intermediate shaft of wind turbine

圖6 中間軸崩齒振動(dòng)信號(hào)Fig.6 Vibration signal of broken pinion on intermediate shaft

圖6為中間軸崩齒振動(dòng)信號(hào)圖。圖6（a）中，時(shí)域波形存在明顯沖擊成分，圖6（b）中，功率譜存在較明顯的680.8 Hz及其倍頻成分，表示正常的高速級(jí)嚙合頻率，同時(shí)還存在166.6 Hz的頻率成分，表示正常的中間級(jí)嚙合頻率。對(duì)圖6（b）中[400 Hz，600 Hz]的頻帶進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，解調(diào)后振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)譜如圖6（c）所示，圖中7.24 Hz及其倍頻非常明顯，對(duì)應(yīng)著中間軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，說(shuō)明該齒輪箱中間軸小齒輪出現(xiàn)嚴(yán)重故障。

4.3 高速軸齒輪崩齒

風(fēng)電齒輪箱高速軸通常采用齒輪軸的形式進(jìn)行機(jī)械能量和轉(zhuǎn)速傳遞，由于轉(zhuǎn)速較高，參與嚙合與承受載荷的頻次較高，高速軸齒輪容易出現(xiàn)故障。圖7為某風(fēng)電齒輪箱高速軸崩齒故障。

當(dāng)高速軸發(fā)生崩齒故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組還能帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，但應(yīng)該及時(shí)發(fā)現(xiàn)并及早在機(jī)艙上更換高速軸，避免后續(xù)高速軸崩齒斷面對(duì)中間軸大齒輪齒面的嚙合破壞。

圖7 高速軸崩齒Fig.7 Broken pinion on high speed shaft

圖8為高速軸齒輪崩齒振動(dòng)信號(hào)。圖8（a）的振動(dòng)信號(hào)中存在明顯的周期性沖擊，與圖8（b）功率譜中的邊帶成分對(duì)應(yīng)，該邊帶頻率為圖8（c）通頻包絡(luò)譜中的25.16 Hz及其諧波，對(duì)應(yīng)著高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，說(shuō)明高速軸齒輪出現(xiàn)嚴(yán)重故障。

圖8 高速軸崩齒振動(dòng)信號(hào)Fig.8 Vibration signal of broken gear on high speed shaft

4.4 發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕

風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承采用滾動(dòng)軸承，主要失效形式為電腐蝕、跑圈、潤(rùn)滑不良、磨損和剝落等。其中電腐蝕為發(fā)電機(jī)軸承常見(jiàn)的典型故障，圖9所示為發(fā)電機(jī)軸承外圈電腐蝕。

圖9 發(fā)電機(jī)軸承外圈電腐蝕Fig.9 Electrical corrosion of generator bearing

電腐蝕是發(fā)電機(jī)上的軸電流擊穿較薄的軸承油膜層產(chǎn)生電火花，使軸承內(nèi)圈、外圈或滾動(dòng)體表面出現(xiàn)局部熔融或凹凸的現(xiàn)象。在電腐蝕初期，發(fā)電機(jī)軸承內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高溫，逐步融化軸承表面微小區(qū)域，使?jié)L動(dòng)體與滾道間產(chǎn)生異常磨損，導(dǎo)致軸承各部件之間游隙過(guò)大，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)和噪聲非常明顯；當(dāng)故障逐步惡化時(shí)，電腐蝕發(fā)展為軸承內(nèi)外圈呈現(xiàn)明顯“搓板紋”。軸承長(zhǎng)期異常高溫運(yùn)行，會(huì)使內(nèi)部潤(rùn)滑脂變質(zhì)，出現(xiàn)潤(rùn)滑不良的現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇了軸承運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，最終導(dǎo)致軸承失效。

圖10為發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕振動(dòng)信號(hào)。圖10（a）為對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)，圖10（b）為相應(yīng)的功率譜密度，在[1 000 Hz，4 000 Hz]存在明顯的等頻率振動(dòng)沖擊，沖擊間隔為圖 10（c）中的 94.41 Hz，該頻率成分為發(fā)電機(jī)軸承外圈故障特征，說(shuō)明發(fā)電機(jī)軸承外圈存在明顯故障。

圖10 發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕振動(dòng)信號(hào)Fig.10 Vibration signal of electrical corrosion of generator bearing

5 結(jié)論

本文論述了風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障特征提取涉及的相關(guān)內(nèi)容，為深入開(kāi)展傳動(dòng)鏈故障特征提取方法研究奠定了基礎(chǔ)。

①文中采用經(jīng)典信號(hào)處理方法綜合論述了傳動(dòng)鏈典型故障特征的提取方法，在故障提取結(jié)果上，該方法和其它的研究工作具有一定的相似之處，都能有效完成故障提取和識(shí)別。相比于其它研究工作的單一性，該方法能夠?qū)鲃?dòng)鏈大多數(shù)典型故障特征進(jìn)行提取，在適用性上具有一定優(yōu)勢(shì)。

②分析了風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的常見(jiàn)典型故障與失效機(jī)理，采用經(jīng)典信號(hào)處理方法對(duì)上述典型故障進(jìn)行特征提取，驗(yàn)證了經(jīng)典方法對(duì)單一、明顯故障特征提取的有效性，為風(fēng)電機(jī)組故障檢修維護(hù)提供了技術(shù)支撐。

本文方法在齒輪箱故障特征頻率與傳動(dòng)鏈典型故障振動(dòng)信號(hào)基本特征匹配上有待進(jìn)一步優(yōu)化，建立齒輪箱故障特征頻率庫(kù)，完成振動(dòng)信號(hào)分析結(jié)果與齒輪箱特征頻率智能匹配，從而提高特征提取和故障識(shí)別效率。