風機行星齒輪系統(tǒng)齒輪裂紋故障診斷*

桂 勇， 韓勤鍇， 李 崢， 褚福磊

(1.清華大學摩擦學國家重點實驗室 北京，100084) (2.裝甲兵工程學院機械工程系 北京，100072)

風機行星齒輪系統(tǒng)齒輪裂紋故障診斷*

桂 勇1,2， 韓勤鍇1， 李 崢1， 褚福磊1

(1.清華大學摩擦學國家重點實驗室 北京，100084) (2.裝甲兵工程學院機械工程系 北京，100072)

針對風力發(fā)電機實際行星齒輪系統(tǒng)，由于幅值及相位調制現(xiàn)象(各種制造誤差不可避免等原因所導致)帶來的故障診斷難題，搭建了含各種制造誤差的動力學模型。模型考慮了出現(xiàn)裂紋故障以后，故障對時變嚙合剛度以及傳遞誤差的影響，通過數值求解，對比行星輪、太陽輪以及齒圈出現(xiàn)故障后與正常齒輪系統(tǒng)的包絡譜結構特性，總結了故障特征頻率。在風力發(fā)電機齒輪箱實驗臺上進行裂紋故障試驗驗證，結果表明所總結的故障特征頻率可以作為風力發(fā)電機裂紋故障診斷及定位的依據。

風力發(fā)電機； 行星齒輪系統(tǒng)； 裂紋； 故障診斷

引 言

由于風場復雜多變、風機頻繁低速起動等原因，風機中的傳動部件受沖擊及交變載荷嚴重。齒輪箱中的行星齒輪系統(tǒng)，由于其傳動比大、承載高，故成為故障多發(fā)區(qū)。裂紋是輪齒早期故障形式之一，及時準確地發(fā)現(xiàn)并定位故障、排除事故隱患，對降低風電場損失和提高其運行效率具有非常重要的意義。

不少學者開展了大量齒輪裂紋的故障診斷工作，主要研究方向有基于故障機理和信號處理的故障診斷研究。Chaari等[1]通過數值方法，計算了裂紋故障對齒輪嚙合剛度的影響，并將計算結果與有限元計算結果進行對比分析。Chen等[2]研究了不同裂紋長度及深度對齒輪嚙合時變剛度的影響，通過搭建定軸齒輪系統(tǒng)的動力學模型，研究了裂紋對系統(tǒng)響應的影響。Wu等[3]研究了不同裂紋故障程度對齒輪時變嚙合剛度的影響，搭建了定軸齒輪系統(tǒng)動力學模型，選擇均方根，峭度和Sα等統(tǒng)計參數作為指標，研究了不同裂紋程度對統(tǒng)計參數的影響，并總結了故障規(guī)律。Mohammed等[4]選擇了3種不同程度的齒輪裂紋故障，研究了不同的裂紋程度對剛度的影響，通過動力學模型求取齒輪系統(tǒng)在不同故障程度下的動態(tài)響應，隨后求取振動信號的殘差，對比殘差信號的均方根及峭度，實現(xiàn)了對裂紋故障程度的判斷。張青峰等[5]通過建立定軸齒輪系統(tǒng)非線性動力學模型，研究了含靜態(tài)傳遞誤差以及偏心誤差時系統(tǒng)裂紋故障的診斷方法。在行星齒輪系統(tǒng)方面，許洪斌等[6]研究了風力發(fā)電機行星齒輪系統(tǒng)的太陽輪和行星輪在疲勞載荷下的裂紋故障產生機理。Chaari等[7]通過建立行星齒輪系統(tǒng)的動力學模型，分析了齒輪點蝕和裂紋對行星齒輪系統(tǒng)及其動態(tài)響應的影響。Liang等[8]對齒輪懸臂梁模型進行改進，從能量的角度對行星齒輪系統(tǒng)的嚙合剛度進行計算，以此為基礎建立了齒輪裂紋擴展模型。Cheng等[9]通過搭建基于故障的行星齒輪系統(tǒng)動力學模型，選取不同的統(tǒng)計參數作為判斷指標，實現(xiàn)了對不同程度裂紋故障的判斷，并通過試驗進行驗證。

在基于信號處理的裂紋故障診斷研究方面，Brie等[10]對比了兩種自適應解調技術與希爾伯特變換的優(yōu)缺點，采用自適應解調技術對裂紋故障進行判斷，通過實際的定軸齒輪箱對診斷方法進行了驗證。Li等[11]通過靜態(tài)傳遞誤差推導得出齒輪系統(tǒng)的時變嚙合剛度，通過實際的試驗數據獲取了正常及裂紋故障時齒輪系統(tǒng)的傳遞誤差。還有學者開展了裂紋故障與其他故障的區(qū)分診斷研究。Sheng等[12]搭建了26自由度的定軸齒輪系統(tǒng)動力學模型，通過仿真發(fā)現(xiàn)，求取時間同步平均后振動信號的幅值及相位調制信息能很好地區(qū)分裂紋及剝落故障。Boulahbal等[13]通過離散小波變換及時間同步平均的方法，獲取齒輪系統(tǒng)振動信號的幅值和相位信息；通過正常和裂紋故障的對比，總結了故障特征；通過幅值和相位上的差異，區(qū)分了裂紋和剝落故障。Endo等[14]研究了裂紋及剝落故障對行星齒輪系統(tǒng)靜態(tài)傳遞誤差的影響，總結了兩種不同故障對系統(tǒng)動態(tài)響應的影響規(guī)律，以此作為區(qū)分故障的基礎，并通過試驗對研究結果進行了驗證。

如何對裂紋故障進行定位，尋找不同部件發(fā)生裂紋故障時的特征，對于行星齒輪系統(tǒng)是一項有意義的工作。筆者基于搭建含故障的行星齒輪系統(tǒng)動力學模型，通過包絡譜結構分析，總結不同部件(太陽輪、行星輪和齒圈)發(fā)生裂紋故障時的故障特征頻率，并通過故障特征頻率對故障進行判定和定位。

1 系統(tǒng)動力學方程

搭建了如圖1所示的行星齒輪系統(tǒng)動力學模型，系統(tǒng)部件包括：太陽輪(s)，框架(c)，齒圈(r)以及行星輪(p)，軸承的支撐及齒輪嚙合均視為線性彈簧，每個部件考慮3個方向的振動：即橫向(x)、縱向(y)及扭轉(u)。變量參考坐標系隨框架轉動，旋轉方向取逆時針方向為正[15]。

由于風力發(fā)電機的轉速低，陀螺效應及離心力在模型中均不考慮，所以系統(tǒng)動力學方程表示為

(1)

其中：M為質量矩陣；C為系統(tǒng)阻尼矩陣；Kb為支撐剛度矩陣；Ke(t)為嚙合剛度矩陣。

上述矩陣的表達式詳見文獻[15]。

q為位移向量，可以表示為

q={xc,yc,uc,xr,yr,ur,xs,ys,us,x1,y1,u1L,xN,yN,uN}

(2)

Fe(t)為由于誤差導致的激勵力，可表示為

(3)

其中

n=1,2,…,N；N為行星輪的個數；kji(t)(j=s,r)為部件j與第i個行星輪之間的嚙合剛度；αj為部件j的壓力角；φspi=φpi-αs；φrpi=φpi+αr。

φpi為行星輪在坐標系中的相對位置角，如圖2所示。

圖2 太陽輪-行星輪嚙合Fig.2 A sun gear-planet mesh

eji(t)為部件j與第i個行星輪之間的誤差

(4a)

其中：Ejpi(t)和Epij(t)(j=s,r)為與部件轉頻相關的誤差。

Inalpolat等[16]提出采用統(tǒng)一的公式對偏心誤差、跳動誤差和齒形誤差等誤差進行計算。

(4b)

其中：Ej和Epi為部件j以及第i個行星輪之間的誤差幅值；fmesh為嚙合頻率；zj和zp為部件j以及第i個行星輪的齒數；εj和εpi為相位角；ψji為相對位置角；αj為部件j的壓力角，當部件為齒圈時其符號為正，當部件為太陽輪時其符號為負。

式(4a)中，espi和erpi為齒輪傳遞誤差，Inalpolat[14]認為傳遞誤差會被Ejpi(t)和Epij(t)干擾，產生幅值和相位調制，調制后的傳遞誤差表達式為

(4c)

其中

(4d)

(4e)

根據Conry等[17]的研究，受Espi(t)和Epis(t)的調制影響，誤差espi(t)幅值的峰值一般會上升4%～6%。

在行星齒輪系統(tǒng)中，由于受到誤差干擾，振動信號調制現(xiàn)象嚴重，所以實際行星齒輪系統(tǒng)振動信號的頻譜非常復雜[16]。為了準確地對行星齒輪系統(tǒng)的頻譜進行分析，Inalpolat等[16]提出了行星齒輪系統(tǒng)振動加速度表達式

(5)

(6)

在行星齒輪系統(tǒng)工作過程中，由于行星輪的位置相對于傳感器的位置不斷變化，所以各行星輪與太陽輪和齒圈的嚙合對傳感器的影響會隨行星輪的位置不斷變化。Inalpolat等[16]通過權重函數wi(t)對這一現(xiàn)象進行表示。當行星輪相對位置為φpi時，wi(t)為

(7)

其中：W(t)為窗函數；Ui(t)為階躍函數。

其表達式分別為

(8)

(9)

其中：當t>a時，u(t-a)=1；當t

2 裂紋故障對系統(tǒng)影響分析

2.1 裂紋故障對剛度的影響

圖3為裂紋示意圖。圖3(a)中，α及D分別為裂紋的角度及深度。出現(xiàn)裂紋故障以后，齒輪嚙合時的變形將會增大，從而使剛度發(fā)生變化。在計算變形時一般將輪齒看作懸臂梁，如圖3(b)所示。變形一般包括剪切變形、彎曲變形、軸向變形、基圓柔體變形以及赫茲接觸變形。

圖3 裂紋示意圖Fig.3 The schematic graph of tooth crack

剪切、彎曲以及軸向變形對應的剪切、彎曲以及軸向壓縮剛度的計算公式分別為

(10)

(11)

(12)

其中：Kb，Ks，Ka分別為剪切變形、彎曲變形以及軸向變形所產生的剛度；α1，h如圖3(b)所示；E為彈性模量；G為剪切模量；Ix及Ax的計算公式[4]如式(13)，(14)所示。

其中：hc，hx，hc1如圖3(b)所示。

基圓柔體變形所產生的剛度(Kf)以及赫茲接觸變形所產生的剛度(Kh)的計算公式可參考文獻[4]。

齒輪對嚙合時所產生的總剛度計算公式為

(15)

圖4為出現(xiàn)裂紋故障(α=π/9,D=3 mm)與正常齒輪對嚙合時剛度的對比圖?？梢钥闯?，當出現(xiàn)裂紋故障以后，系統(tǒng)的時變嚙合剛度將會降低。

圖4 含裂紋與正常齒輪對嚙合剛度的對比圖Fig.4 The stiffness comparison between a pair of normal tooth and a pair of tooth with crack

2.2 裂紋故障對誤差的影響

Endo等[14]研究顯示，齒輪系統(tǒng)出現(xiàn)裂紋故障以后，系統(tǒng)的傳遞誤差會增大，將傳遞誤差的殘差值作為評估裂紋對誤差的影響指標。研究表明，某型齒輪當裂紋長度分別為1.18，2.36和3.55 mm時，傳遞誤差的殘差最大值分別為1.5，4和7.5 μm。可以看出，裂紋故障對傳遞誤差的影響非常大。

3 仿真分析

設定輸入端(框架)的轉速為26.5 r/min(nc)，輸出端負載為200 Nm。行星輪、太陽輪、齒圈的轉頻以及系統(tǒng)的嚙合頻率可通過下式進行計算。

(16)

(17)

(18)

(19)

通過計算可知：fc=0.441 Hz；fs=2.49 Hz；fp=0.68 Hz；fmesh=34.9 Hz。

3.1 嚙合剛度變化對系統(tǒng)響應的影響

首先，將誤差設置為零，只考慮出現(xiàn)裂紋故障后嚙合剛度變化對系統(tǒng)響應的影響(α=π/9,D=3 mm)。如圖5(a～c)所示，分別為行星輪、太陽輪以及齒圈發(fā)生裂紋故障后，齒圈縱向振動加速度信號的包絡譜結構與正常齒輪系統(tǒng)的包絡譜結構對比。可以看出，僅考慮裂紋故障對系統(tǒng)嚙合剛度的影響時，包絡譜結構的調制頻率相對比較簡單，且不同部件出現(xiàn)裂紋故障所對應的調制頻率不同。行星輪、太陽輪、齒圈裂紋故障所對應的調制頻率分別為fpf=N(fc+fp)，fsf=N(fs-fc)，frf=Nfc，N=1,2,…。

圖5 正常及故障齒輪系統(tǒng)的包絡譜結構對比(無誤差)Fig.5 The envelop spectrum comparison of the normal and fault gear system (without errors)

3.2 嚙合剛度及誤差對系統(tǒng)響應的影響

設置齒輪的傳遞誤差分別為espi=0.6 μm，erpi=0.3 μm；各齒輪的跳動誤差為Epi=1 μm，Es=Er=1.5 μm。根據Conry等研究結果[17]，調制參數分別設置為βs=0.033，φβsi=2(i-1)π/3，βpi=0.034，φβpi=2(i-2)π/3，?pi=0.033，φ?pi=2(i-2)π/3，βr=0.035，φβri=2(i-1)π/3，其他參數均設置為零。求解動力學方程得到δspi(t)和δrpi(t)，通過式(5)計算得到加速度并求取包絡譜。

當行星輪出現(xiàn)裂紋故障以后(α=π/9,D=3 mm)，設定行星輪與太陽輪和齒圈之間的傳遞誤差分別增加至esp1=6.6 μm，erp1=6 μm。圖6(b)為包絡譜結構與正常齒輪系統(tǒng)的包絡譜結構對比。同理，當太陽輪出現(xiàn)裂紋故障以后，設定espi=6.6 μm，齒圈出現(xiàn)裂紋故障以后，設定erpi=6 μm，包絡譜結構對比分別如圖6(c)和圖6(d)所示。通過對比看出：考慮誤差以后，正常齒輪系統(tǒng)的包絡譜結構就變得非常復雜。出現(xiàn)裂紋故障以后，某些特定頻率的幅值會增加，其中，行星輪出現(xiàn)裂紋故障時，幅值變大的頻率為nfp±m(xù)fc，主要原因是剛度變化所產生的調制頻率n(fp+fc)與窗函數特征頻率mfc耦合，使得在頻率n(fp+fc)±m(xù)fc(可化簡為nfp±m(xù)fc)處幅值變大，上述頻率可以總結為行星輪裂紋故障特征頻率fpf=nfp±m(xù)fc。同理，太陽輪及齒圈出現(xiàn)裂紋故障以后，故障特征頻率分別為fsf=n(fs-fc)±m(xù)fc=nfs±m(xù)fc及frf=nfc±m(xù)fc=nfc(n=1,2,…)。

圖6 正常及故障齒輪系統(tǒng)的包絡譜結構對比(含誤差)Fig.6 The envelop spectrum comparison of the normal and fault gear system (with errors)

4 試驗驗證

在如圖7所示的風電試驗臺上開展了裂紋故障診斷試驗。實驗臺由變頻器、驅動電機、減速齒輪箱、增速齒輪箱、加載器和加載電機等組成。驅動電機轉速由變頻器控制并帶動減速齒輪箱轉動，轉速降低后由增速齒輪箱模擬風力發(fā)電機的齒輪箱將速度增加，加載電機將油泵入加載器，為加載器提供液力加載，加載大小由閥門控制。增速齒輪箱為某實際風電齒輪箱按比例縮小后制造，由一級行星齒輪系統(tǒng)和兩級平行齒輪系統(tǒng)組成，齒輪參數如表1所示。其中，行星輪個數為3個，平行級由兩對定軸圓柱齒輪組成。

加速度傳感器安裝在增速端的行星級上，如圖8(a)所示。試驗分別采集了行星輪正常和裂紋故障(圖8(b))兩種狀態(tài)時的振動加速度信號，并進行對比分析。

圖7 實驗臺架Fig.7 The test bench

級次齒輪齒數行星級 太陽輪行星輪齒圈 173179平行級1輸入端輸出端7321平行級2輸入端輸出端6623

圖8 傳感器布置及故障行星輪Fig.8 The sensor and the planet gear

圖9(a)及(b)分別為試驗采集到的正常齒輪系統(tǒng)以及含行星輪裂紋故障齒輪系統(tǒng)的振動加速度信號?？梢钥闯?，出現(xiàn)裂紋故障以后，系統(tǒng)并沒有出現(xiàn)明顯的沖擊信號，但振動加速度的幅值明顯增大。

圖9 加速度時域信號Fig.9 The acceleration signals of the system

由于噪聲干擾，信號耦合嚴重以及齒輪系統(tǒng)存在不同程度的誤差等原因，行星系統(tǒng)振動信號的頻譜較為復雜，所以對振動信號進行包絡分析。如圖10所示。從圖中可以明顯找到行星輪裂紋故障特征頻率fpf=nfp±m(xù)fc(n,m為自然數)。

圖10 正常及裂紋故障齒輪系統(tǒng)的包絡譜結構對比圖Fig.10 The envelop sideband of the system with/without crack

5 結束語

當行星齒輪系統(tǒng)考慮誤差以后，系統(tǒng)動態(tài)響應的包絡譜結構變得十分復雜。行星輪，太陽輪以及齒圈出現(xiàn)裂紋故障后的特征頻率依次為fpf=nfp±m(xù)fc，fsf=nfs±m(xù)fc，frf=nfc(m,n為自然數)。由于各個部件的故障特征頻率不相同，所以上述故障特征頻率可以作為故障定位的依據。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.01.027

*國家自然科學基金重點資助項目(51335006)；北京市自然科學基金重點資助項目(3131002)

2014-09-11；修回日期：2014-10-24

TH113

桂勇,男，1981年4月生，講師。主要研究方向為旋轉機械故障診斷。曾發(fā)表《Detection and localization of tooth breakage fault on wind turbine planetary gear system considering gear manufacturing errors》(《Shock and Vibration》2014,No.1)等論文。 E-mail:gy8144@163.com