風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速對齒輪箱振動的影響規(guī)律研究

尚斌

（魯能新能源（集團）有限公司河北分公司，河北 張家口 075000）

近些年伴隨著新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電這一種環(huán)保、經(jīng)濟的清潔能源開發(fā)方式逐漸被世界各國所認(rèn)可。近些年有多個研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機組在20年的運行周期內(nèi)維修成本占據(jù)整個生產(chǎn)效益的25%，其中傳動鏈發(fā)生機械故障是導(dǎo)致風(fēng)機被迫停機的主要因素。在風(fēng)機當(dāng)中齒輪箱屬于主要的傳動設(shè)備，所以對齒輪箱的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測是保障風(fēng)機運行效益的關(guān)鍵。

1 風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速監(jiān)測規(guī)律

當(dāng)前，最為普遍的齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測一般是以振動信號為主，應(yīng)用相應(yīng)的處理方式對振動信號實行相應(yīng)分析，從信號的時域、頻譜當(dāng)中尋找到關(guān)鍵的齒輪故障信號成分，并從中獲得齒輪箱的故障類型。但是，應(yīng)用基于振動信號的方式對風(fēng)電齒輪箱實行相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測，可以基本明確兩個方面的問題：一方面風(fēng)電齒輪箱一般會涉及到行星輪系與定軸輪系，其均屬于典型的復(fù)雜化齒輪傳動系統(tǒng)，振動的信號成分相對于定軸齒輪箱更加繁瑣；另一方面是根據(jù)振動信號的狀態(tài)監(jiān)測方式而言，一般都需要齒輪箱的轉(zhuǎn)速相對保持穩(wěn)定。但是風(fēng)電機組因為會直接受到來自風(fēng)速的影響，所以在變速轉(zhuǎn)動工作情況下促使基于振動信號的狀態(tài)監(jiān)測方式實施難度比較高。為了更好的實現(xiàn)對風(fēng)電機組的齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測，有必要先分析轉(zhuǎn)速波動并對風(fēng)電機組的齒輪箱振動信號的規(guī)律，并借助相應(yīng)的方式消除或降低轉(zhuǎn)速波動對于整個振動過程的影響，進而將振動信號轉(zhuǎn)變成可以應(yīng)用于風(fēng)機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息。下面對多個風(fēng)電機組的實際監(jiān)測中所獲取的數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析，從而明確風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速對于齒輪箱的振動信號影響規(guī)律。

2 風(fēng)電機組監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析

（1）監(jiān)測數(shù)據(jù)。下面以某風(fēng)力發(fā)電廠的SL1500型號的風(fēng)電機組主傳動鏈的數(shù)據(jù)進行分析，其主要是由葉片、齒輪箱以及發(fā)電機等構(gòu)成，其中齒輪箱的結(jié)構(gòu)屬于兩級行星添加一級定軸，風(fēng)機振動主要是以CSM在線監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)儲存，同時分布在密集儲存區(qū)與稀疏儲存區(qū)兩個方面，密集儲存區(qū)主要是以目前時刻向前推大約50d，這一區(qū)域的數(shù)據(jù)普遍間隔為3h45min，稀疏儲存區(qū)主要是以密集儲存區(qū)之前的所有歷史記錄，這一區(qū)域的數(shù)據(jù)間隔時間大約為1d。每一個測量點的采樣頻率均在轉(zhuǎn)速達(dá)到25600Hz，在低轉(zhuǎn)速時保持在2560Hz以上，數(shù)據(jù)的長度均以102400為標(biāo)準(zhǔn)，完成對所有數(shù)據(jù)的測量與儲存工作。

風(fēng)力發(fā)電廠的某臺風(fēng)機在運行過程中監(jiān)測到齒輪箱存在故障，并選擇這一風(fēng)機正常運行時的一組振動信號以及故障運行時的一組振動信號，同時對兩個信號以時域波的方式表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)，其分別為圖1與圖2。通過圖1與圖2的對比可以基本明確，齒輪箱在正常運行過程中振動信號的幅度并不大，但是在齒輪箱發(fā)生故障的情況下，振動信號的幅度有明顯的提升，同時信號當(dāng)中會存在比較突出的周期性調(diào)制成分。

圖1

圖2

針對上述數(shù)據(jù)，為了更好的明確齒輪箱振動信號在整個使用周期當(dāng)中的變化狀況，提取出關(guān)于振動信號的有效值數(shù)據(jù)，同時以時域波形圖方式表現(xiàn)出來，最終發(fā)現(xiàn)有效值在整個壽命周期中會呈現(xiàn)出不斷上升的狀態(tài)，因為風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速會存在實時性的波動，整個周期內(nèi)的所有有效值會表現(xiàn)出比較突出的波動性，這對于風(fēng)機的狀態(tài)監(jiān)測以及衰退的趨勢影響也比較突出。對此，需要不斷的深入探討轉(zhuǎn)速對于振動信號的影響規(guī)律，并且需要采取針對性措施降低轉(zhuǎn)速對于振動的相應(yīng)影響。

（2）降低轉(zhuǎn)速的影響。按照上述所獲得的數(shù)據(jù)進行分析，應(yīng)用下列的轉(zhuǎn)化公式對振動的信號有效值進行相應(yīng)的分析處理，并降低轉(zhuǎn)速波動對振動信號的有效性影響分析，風(fēng)機額定的轉(zhuǎn)速普遍屬于最大的轉(zhuǎn)速，并將風(fēng)機在任意轉(zhuǎn)速之下的有效值轉(zhuǎn)化為額定轉(zhuǎn)速之下的有效值相當(dāng)量，并最終獲得某時刻振動信號的有效值=有效值×風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速/某時刻風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。因為本次研究所選的風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速為1800r/min，通過對故障機組在使用壽命當(dāng)中的有效值進行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化完成后的有效值當(dāng)量結(jié)果詳情見圖3。從中可以發(fā)現(xiàn)有效值的當(dāng)量提升趨勢更加突出，局部波動有明顯的緩解，同時可以有效的表現(xiàn)出齒輪箱的健康狀態(tài)，并為齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測提供有效的數(shù)據(jù)指標(biāo)。

圖3 齒輪箱壽命周期內(nèi)振動信號有效值變化趨勢

3 風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱傳動系統(tǒng)的振動問題

在風(fēng)力發(fā)電機組當(dāng)中齒輪箱屬于關(guān)鍵性的設(shè)備部件，同時也是故障發(fā)生率最高、經(jīng)濟效益影響最為突出的部件。齒輪箱的故障具備維修難度高、時間消耗大、費用成本高等特征，一旦發(fā)生問題，必然會對整個風(fēng)電場形成直接經(jīng)濟影響。對此，有必要提升齒輪箱的工作可靠性，提高整個發(fā)電機組的工作穩(wěn)定性，并保持風(fēng)電機組的工作效益。風(fēng)電機組的齒輪箱動態(tài)特性的研究對于提升整個風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性有著重要的意義和價值。對于本次研究所選擇的風(fēng)力發(fā)電機組的齒輪箱而言，應(yīng)用數(shù)值模擬的方式研究傳統(tǒng)系統(tǒng)的軸系在扭轉(zhuǎn)振動方面的特點，然后為風(fēng)力發(fā)電機組在齒輪箱方面的設(shè)計提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。

通過多方面研究，最終總結(jié)出下列幾點結(jié)論：第一，風(fēng)電機組的齒輪箱軸系運行的規(guī)律特點，可以將整個行星軸系簡化成為多個借助無質(zhì)量彈簧連接的剛性圓盤，并提出關(guān)于傳遞矩陣與點傳遞矩陣的表現(xiàn)方式，將所有軸系的運行制作成為一個等效的成為制定軸系的運動，從而提出關(guān)于風(fēng)電機組的齒輪箱星輪軸系扭轉(zhuǎn)振動的傳遞矩陣模型。第二，應(yīng)用SilidWorks的方式構(gòu)建關(guān)于行星架的三維模型，同時在導(dǎo)入ANSYS軟件的網(wǎng)格劃分后，所獲得的行星架有限元的分析模型，計算出行星架的扭轉(zhuǎn)剛度以及等效的轉(zhuǎn)動慣量，并分析總結(jié)單元數(shù)目對于等效扭轉(zhuǎn)剛度與轉(zhuǎn)動慣量的針對性規(guī)律分析，應(yīng)用MATLAB軟件實現(xiàn)對風(fēng)電機組齒輪箱軸系扭轉(zhuǎn)振動的特性分析，并借助對簡單軸系與部分復(fù)雜軸系的傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動特性驗證整個程序的準(zhǔn)確性。第三，按照所需要的參數(shù)進行設(shè)計，構(gòu)建關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機組的齒輪性傳統(tǒng)系統(tǒng)模型，同時應(yīng)用編制的AMTLAB程序?qū)X輪箱的模型實行扭轉(zhuǎn)振動特性的分析，計算傳統(tǒng)系統(tǒng)所具備的頻率和主振型，總結(jié)關(guān)于行星架壁厚對于系統(tǒng)的固有頻率的影響，從而降低這一影響。通過單獨分析系統(tǒng)低速軸所具備的固有特性，提升行星架壁厚對于風(fēng)電機組齒輪箱的固有特性影響。國外有研究者對于行星齒輪傳動系統(tǒng)進行了大量的研究，對于不同的激勵齒輪動態(tài)特性的研究方式，構(gòu)建單級的行星齒輪傳動系統(tǒng)線性純扭轉(zhuǎn)模型，研究應(yīng)用不同齒形的星星傳動系統(tǒng)動態(tài)特性的分析，構(gòu)建了涉及制造誤差的非線性動力學(xué)模型，這一個模型可以有效的預(yù)測出因為制造誤差而導(dǎo)致的質(zhì)邊頻帶。另外，還有研究借助建立行星齒輪傳動系統(tǒng)的有限元、應(yīng)力動力學(xué)模型等分析行星齒輪的動力響應(yīng)特性。通過分析發(fā)現(xiàn)，齒輪箱當(dāng)中的齒側(cè)間隙會導(dǎo)致齒輪之間發(fā)生沖擊，并形成噪音，從而影響齒輪箱的使用壽命，對于齒輪的動態(tài)化特性和荷載特性會形成直接性的負(fù)面影響。但是借助建立包含側(cè)齒間隙的風(fēng)力機行星傳動系統(tǒng)的平移、扭轉(zhuǎn)耦合振動動力學(xué)的方程，可以應(yīng)用相應(yīng)算法對系統(tǒng)的微分方程進行分析，從而明確影響振動的主要因素，明確轉(zhuǎn)速對于齒輪箱振動的影響規(guī)律，為后續(xù)的參數(shù)設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語

綜上所述，本文簡要分析了風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速對齒輪箱振動的影響規(guī)律，基本明確了風(fēng)電機組的齒輪箱振動信號與轉(zhuǎn)速信號之間的關(guān)系，基本解釋了關(guān)于振動信號和轉(zhuǎn)速信號之間所存在的線性關(guān)系，同時總結(jié)了關(guān)于任意轉(zhuǎn)速之下振動信號的健康指標(biāo)轉(zhuǎn)化為額定轉(zhuǎn)速，降低轉(zhuǎn)速波動對于振動信號的影響。在實際工作中可以基于本次研究所獲得的結(jié)論，繼續(xù)對風(fēng)電機組的齒輪箱健康狀態(tài)進行針對性的研究，力求齒輪箱健康狀態(tài)的實時監(jiān)測與故障的自動化識別目標(biāo)的實現(xiàn)。