李 崢，秦朝燁，王天楊，褚福磊

（清華大學 機械工程系，北京 100084）

風力發(fā)電是國家能源安全的重要保證，對發(fā)展低碳產業(yè)、節(jié)能減排具有重要意義。近年我國風電產業(yè)迅猛發(fā)展，但在役風電裝備故障率高。降低故障率，實現(xiàn)裝備可靠運行已成為當前風電發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。行星齒輪箱在機組中故障率居高不下，尤其是齒輪箱內部的高速齒輪在變工況、變載荷的情況下運行容易發(fā)生故障導致災難性的后果，如何對其高速齒輪系統(tǒng)進行準確的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是一項意義重大又極具挑戰(zhàn)性的研究。在工程中，由于各種復雜工況的干擾，風電齒輪箱的故障診斷尤為困難[1-3]。因此，研究風電齒輪箱初期故障診斷既是工程應用的迫切需求，也符合當前故障診斷學科發(fā)展的趨勢。同時相關設備的研制與應用，可以為清華大學研究生課程機械振動、轉子動力學提供很好的實驗教學平臺。在此背景下，本文搭建了一種小型風電直齒齒輪教學試驗臺，為開展旋轉機械設備系統(tǒng)的故障動力學機理與診斷技術研究奠定試驗基礎[4-6]。

1 試驗臺簡介

直齒齒輪教學試驗臺框架如圖1 所示，主要由4部分組成：動力系統(tǒng)、負載系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、信號采集及處理系統(tǒng)。圖2 和3 分別為直齒齒輪教學試驗臺原理圖和實物。

圖1 直齒齒輪教學試驗臺框架

圖3 直齒齒輪教學試驗臺實物

2 試驗臺各種參數(shù)

直齒齒輪教學試驗臺的動力系統(tǒng)由電機和控制器組成，通過控制器調節(jié)輸入電壓來調節(jié)電機的轉速，從而模擬設備轉速改變。電機型號為110ST-M05030，主要性能參數(shù)為：額定功率1.5 kW，額定電壓220 V，額定電流6 A，額定轉速2 000 r/min，額定扭矩5 Nm，最高轉速3 000 r/min?？刂破麟妷嚎烧{范圍為0～30 V，調節(jié)精度為0.01 V。負載系統(tǒng)是通過磁粉制動控制器調節(jié)電流對磁粉制動器進行控制，對直齒齒輪設備施加不同的負載，從而模擬設備工況。磁粉制動器型號為CZ-2，主要性能參數(shù)為：電流范圍0～3 A，額定轉矩0～20 N?m，滑差功率0.8 kW，冷卻方式為水冷。

本教學試驗臺核心部分采用單級漸開線直齒齒輪傳動系統(tǒng)，基本參數(shù)為：系統(tǒng)傳動比2.5，箱體總長355mm，箱體總寬310mm，齒輪副中心距及其公差值（100±0.027）mm。

3 故障類型及模擬

為了驗證直齒齒輪教學試驗臺的可靠性，加工了不同直齒來模擬各種故障，其參數(shù)如表1 所示。

表1 直齒齒輪教學試驗臺輸入軸、輸出軸齒輪故障

輸入軸、輸出軸齒輪故障如圖4 所示。

圖4 輸入軸、輸出軸齒輪故障圖

4 小型直齒系統(tǒng)特征頻率分析

Nj為齒輪j（ j= 1,2,3,4）的齒數(shù)。 fj為齒輪j的旋轉頻率， f1是整個齒輪傳動的輸入頻率，通常為已知量。ki 為嚙合副k（k =1,2）的傳動比，定義為一對嚙合齒輪副中主動齒輪與從動齒輪旋轉頻率之比，也等于從動齒輪與主動齒輪齒數(shù)之比，fmk為嚙合副k 的嚙合頻率。

直齒齒輪教學系統(tǒng)特征頻率如下[7-10]：

5 試驗研究

采集設備為米勒貝母公司的噪聲振動測試分析系統(tǒng)——BBM 采集系統(tǒng)，見圖5；傳感器為DYTRAN振動加速度傳感器，型號為3056B，靈敏度為10 mV/g，見圖6。

圖5 BBM 采集系統(tǒng)

圖6 加速度傳感器

根據教學設備參數(shù)特點，采樣頻率設定為8 192 Hz，為了充分采集到可靠有效的實驗數(shù)據，加速度傳感器盡量布置在離被測點較近的位置（見圖7），設定系統(tǒng)采集時間為60 s。M1 和M2 是采集系統(tǒng)數(shù)采端口，每個端口對應四路加速度傳感器。表2 為采集系統(tǒng)數(shù)采端口及傳感器對應的端口編號和位置。

圖7 測點布置圖

表2 采集系統(tǒng)數(shù)采端口及傳感器對應的端口編號和位置

6 信號分析與處理

采用表1 中故障3 與無故障齒輪信號對比，針對采集到的實驗數(shù)據進行頻譜分析，驗證設備的可靠性。

數(shù)據首先選取輸出軸轉頻為15 Hz 下斷齒和無故障加速度信號進行分析處理，如圖8 所示。

圖8 15 Hz 下輸出軸齒輪加速度信號分析

從圖8 可以看出，F(xiàn)ourier 頻譜中嚙合頻率幅值很高，并且在齒輪嚙合頻率 fm附近出現(xiàn)以故障特征頻率fg調制的邊帶及其諧波；在細化譜中，由于對其進行了細分頻率處理，得到加工后的直齒故障嚙合頻率的幅值非常高，而且還在嚙合頻率附近出現(xiàn)了更加明顯的邊頻幅值；在包絡譜中，設計加工后的齒輪故障特征頻率要比正常齒輪嚙合頻率高出很多。

同理對輸入軸轉頻為15 Hz 下的斷齒和無故障信號進行頻譜分析，結果如圖9 所示。

由圖9 可以看出，F(xiàn)ourier 頻譜以及細化譜中嚙合頻率幅值很高，出現(xiàn)了很高的故障特征頻率 fg的邊帶及其諧波，其結論與輸入軸轉頻為15 Hz 下的頻率分析一致；同理在包絡譜中，能明顯看到輸入軸的轉頻finput及齒輪各階次故障特征頻率。因此，直齒齒輪教學試驗臺能很好地模擬齒輪的各種故障特征頻率，從而用于研究生實驗教學及科研。

圖9 15 Hz 下輸入軸齒輪加速度信號分析

7 結語

本文研制了直齒齒輪教學試驗臺，用于學生開展實驗研究，驗證課堂上的理論知識，使理論與實際相結合，從而提高科研能力。通過實驗數(shù)據的對比分析，驗證了該設備能很好在研究生教學中發(fā)揮作用，有助于開展齒輪傳動系統(tǒng)動力學特性與故障診斷方法研究相關工作。