風力發電機轉速對齒輪箱振動的影響規律研究

王天品，孔德同，劉慶超

（1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，昆明 650228；2.華電電力科學研究院，杭州 310030）

風力發電機轉速對齒輪箱振動的影響規律研究

王天品1，孔德同2，劉慶超2

（1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，昆明 650228；2.華電電力科學研究院，杭州 310030）

齒輪箱是風電機組的主要傳動裝置，齒輪箱狀態監測對保障風電機組安全運行至關重要。風電機組受風速波動影響較大，其轉速實時變動，增加了齒輪箱狀態監測的難度。通過分析某風電場兩臺運行機組齒輪箱的振動信號，揭示了齒輪箱振動信號與轉速之間的線性關系，提出將任意轉速下的振動信號有效值轉化到額定轉速下的措施，有效降低了轉速對振動信號的影響，提高了監測指標的趨勢性，可為齒輪箱的狀態監測提供有效的監測指標。

風電機組；齒輪箱；狀態監測；振動信號；轉速

0 引言

近年來，風力發電以其經濟環保等優勢在世界各國得到迅速發展［1］，然而調查發現，風電機組在整個壽命期內的維修成本占其總生產效益的10%～25%［2］，其中主傳動鏈機械故障是造成風機停機的主要原因。齒輪箱是風電機組主要的傳動部件，齒輪箱狀態監測對于保障風電機組安全運行至關重要。

目前，常用的齒輪狀態監測方法大都基于振動信號［3-6］，采用一定的處理方法對振動信號進行分析，從信號時域和頻譜中尋找能夠反映齒輪故障信息的信號成分，從而推斷齒輪箱的故障類型。但是，采用基于振動信號的方法對風電齒輪箱進行狀態監測時存在兩個問題：（1）風電齒輪箱通常包含行星輪系和定軸輪系，是典型的復雜齒輪傳動系統，振動信號成分比定軸齒輪箱更復雜［7-8］；（2）基于振動信號的狀態監測方法往往要求齒輪箱轉速相對穩定，但是風電機組受風速波動影響較大，通常在變轉速工況下運行，使得基于振動信號的狀態監測方法無計可施。

由于以上兩個問題的存在，大大降低了基于振動信號的狀態監測方法對風電機組齒輪箱狀態監測的有效性。為了實現對風電機組齒輪箱的狀態監測，必須首先分析轉速波動對風電機組齒輪箱振動信號的影響規律，并設法消除或降低轉速波動對振動信號的影響，從而可以將振動信號分析成功引入到風機齒輪箱狀態監測領域。

本文對多臺風電機組實際監測數據進行分析，尋找風電機組轉速對齒輪箱振動信號的影響規律。

1 風電機組監測數據介紹

某風電場SL1500型號風電機組主傳動鏈由葉片、齒輪箱、發電機等組成，其中齒輪箱結構為兩級行星加一級定軸，如圖1所示。風機振動在線監測系統（CMS）存儲數據分為密集存儲區和稀疏存儲區兩部分：密集存儲區為當前時刻前推大約50 d，該區數據間隔大約為3 h45min；稀疏存儲區為密集存儲區前的所有歷史時期，該區數據間隔大約為1 d。每個測點采樣頻率在高轉速時為25600Hz，在低轉速時為2 560Hz，數據長度統一為102 400，同時測量并存儲每組數據的轉速信息。

圖1 某風電場SL1500風力發電機組主傳動鏈

風電場某臺風機運行過程中監測到齒輪箱故障，選取該風機正常運行時期的一組振動信號和故障運行時期的一組振動信號，其時域波形分別如圖2a和圖2b所示?？梢钥闯?，齒輪箱正常運行期間振動信號幅值較低，當齒輪箱出現故障時，振動信號幅值明顯增大，并且信號中出現明顯的周期性調制成分。

為進一步分析齒輪箱振動信號在全壽命期內的變化趨勢，提取振動信號的有效值，如圖3所示。由圖3可以看出，有效值在全壽命期內呈現不斷增長的趨勢，由于風電機組轉速的實時波動，全壽命期內的有效值也表現出了很強的波動性，這對于風機狀態監測和衰退趨勢分析極其不利，因此，需要深入分析轉速對振動信號的影響規律，并設法消除轉速對振動的影響。

圖2 振動信號

圖3 齒輪箱振動信號全壽命期內有效值變化趨勢

2 相關性分析

為分析轉速與齒輪箱振動信號的相關性，采用風電場另外兩臺運行機組的振動信號，從中提取振動信號的有效值及相應時刻的轉速信號。兩臺機組的振動信號有效值和對應轉速信號分別如圖4a，4b和圖5a，5b所示?？梢钥闯觯駝有盘栍行е蹬c電機轉速之間具有明顯的相關性，轉速較大時有效值會相應升高，轉速較小時有效值也會相應降低。

為進一步分析有效值與轉速之間的關系，繪制振動信號有效值與轉速的關系曲線。兩組機組的有效值-轉速關系曲線分別如圖4c和圖5c所示。從振動信號有效值-轉速曲線可以看出，振動信號有效值與轉速之間存在較強的線性關系，隨著轉速的升高，有效值不斷增大，而且波動性也明顯增強。該規律可以為后續研究如何消除轉速對振動信號的影響提供理論依據。

3 消除轉速影響

根據以上分析，采用以下轉化公式對振動信號有效值進行處理，降低轉速波動對振動信號有效值的影響。風機額定轉速一般為其最大轉速，將風機任意轉速下有效值轉化為額定轉速下的有效值當量。

式中：yt為t時刻振動信號有效值；nr為風機額定轉速，該組風機nr=1 800 r／min；nt為t時刻電機轉速。

圖4 機組1相關性分析

圖5 機組2相關性分析

采用公式（1）對圖3中故障機組全壽命期內有效值進行轉化，轉化后的有效值當量結果如圖6所示。相比于圖3，圖6中有效值當量增長趨勢更加明顯，局部波動有所消除，能夠更好地反映齒輪箱健康狀況的衰退趨勢，為齒輪箱狀態監測提供有效的監測指標。

圖6 齒輪箱全壽命期內振動信號有效值當量變化趨勢

4 結束語

本文對風電機組齒輪箱振動信號和轉速信號進行分析，揭示了振動信號與轉速信號之間的線性關系。將任意轉速下的振動信號健康指標轉化到額定轉速下，降低轉速波動對振動信號的影響，消除健康指標的局部波動，可以更好地反映齒輪箱健康狀態的變化。

筆者將在本文研究工作的基礎上，繼續對風電機組齒輪箱健康狀態監測方法進行研究，實現對齒輪箱健康狀態的有效監測和故障的自動識別。

［1］World Wind Energy Association.The world wind energy association：2014 half-year report［R／OL］.http：／／www.wwindea.org／webimages／WWEA_half_year_report_2014.pdf.

［2］LU B，LIY，WU X，et al.A review of recent advances in wind turbine conditionmonitoring and fault diagnosis［C］／／Power Electronics and Machines in Wind Applications.2009：1-7.

［3］張小麗，陳雪峰，李兵，等.機械重大裝備壽命預測綜述［J］.機械工程學報，2011，47（11）：100-116.

［4］任玉亭.振動監測技術在風力發電機組的應用［J］.內蒙古電力技術，2010，28（2）：8-12.

［5］盛兆順，尹琦嶺.設備狀態監測與故障診斷技術及應用［M］.北京：化學工業出版社，2008.

［6］丁康，朱小勇.齒輪及齒輪故障診斷實用技術［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［7］雷亞國，何正嘉，林京，等.行星齒輪箱故障診斷技術的研究進展［J］.機械工程學報，2011，47（19）：59-67.

［8］竇慧，原培新.故障診斷中的振動信號處理［M］.北京：冶金工業出版社，1989.

（本文責編：劉芳）

TH 113.21

B

1674-1951（2016）12-0067-03

王天品（1971—），男，云南東川人，高級工程師，從事新能源安全生產管理工作（E-mail：xjtp51＠126.com）。

2016-06-30；

2016-10-18