風(fēng)電增速齒輪箱模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制

李 崢，盧文秀，褚福磊

（清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行星級(jí)齒輪由三個(gè)行星輪、一個(gè)太陽輪、一套內(nèi)齒圈以及行星架組成。行星輪運(yùn)行的特點(diǎn)是不僅自傳，而且還圍繞太陽輪進(jìn)行公轉(zhuǎn)運(yùn)行，這種特殊的運(yùn)行方式就決定了對(duì)其進(jìn)行故障診斷具有本身的特點(diǎn)和難點(diǎn)[1-3]。具體來說，行星輪的故障振動(dòng)信號(hào)傳遞路徑比較復(fù)雜，具有多條傳遞路徑，多齒嚙合導(dǎo)致振動(dòng)響應(yīng)時(shí)而增強(qiáng)時(shí)而抑制，故障信號(hào)極易淹沒在噪聲信號(hào)中[4-6]。如何準(zhǔn)確定位齒輪故障是行星級(jí)齒輪箱研究的重點(diǎn)。風(fēng)力機(jī)齒輪箱的行星齒輪系統(tǒng)中，由于行星輪既存在公轉(zhuǎn)又存在自轉(zhuǎn)，因此系統(tǒng)中的太陽輪、行星輪、齒圈的轉(zhuǎn)頻不一致，以往針對(duì)定軸齒輪系統(tǒng)的診斷方法已不適用。同時(shí)行星齒輪系統(tǒng)振動(dòng)傳遞路徑復(fù)雜，振動(dòng)相互耦合，振動(dòng)信號(hào)調(diào)制現(xiàn)象嚴(yán)重，如何對(duì)其行星齒輪系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是一項(xiàng)意義重大又極具挑戰(zhàn)性的研究[7-9]。

為了解決這一問題，本文研發(fā)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪傳動(dòng)箱故障模擬裝置，包括變頻系統(tǒng)、減速齒輪系統(tǒng)、增速齒輪系統(tǒng)、負(fù)載加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。變頻系統(tǒng)分別與減速齒輪系統(tǒng)和負(fù)載加載系統(tǒng)相連接，減速齒輪系統(tǒng)與增速齒輪系統(tǒng)通過萬向聯(lián)軸器相連接，數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)可分別與減速齒輪系統(tǒng)、增速齒輪系統(tǒng)相連接。

本文利用采集設(shè)備對(duì)行星輪進(jìn)行不同負(fù)載下的信號(hào)采集，通過頻率信號(hào)的對(duì)比得出了行星級(jí)齒輪頻率相關(guān)趨勢(shì)，為今后增速齒輪的故障診斷提供了一定的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

本風(fēng)電增速齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)采用主流的1.5 MW實(shí)際風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)，模擬風(fēng)場(chǎng)實(shí)際情況而開發(fā)，如圖1所示。整個(gè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)包括一級(jí)行星級(jí)齒輪和兩級(jí)平行級(jí)齒輪。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用“背靠背”模式將兩個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)以串聯(lián)方式連接，其中后一級(jí)為模擬實(shí)際風(fēng)電齒輪箱的增速齒輪箱。圖2為風(fēng)電增速齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖，圖3為內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意。整個(gè)傳動(dòng)系前段以電機(jī)驅(qū)動(dòng)并配有控制器用以模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中的變轉(zhuǎn)速模式，后端為加載器，用以模擬實(shí)際工況中的時(shí)變載荷特征。齒輪箱的傳動(dòng)比為57，電機(jī)轉(zhuǎn)速最高為1 500 r/min，行星輪轉(zhuǎn)速為26.6 r/min。

圖1 風(fēng)電增速齒輪箱

圖2 風(fēng)電增速齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 行星增速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

2.1 齒輪箱參數(shù)

齒頂高系數(shù)1，齒頂隙系數(shù)0.25。

第三級(jí)：高速齒數(shù)23，低速齒數(shù)66。

第二級(jí)：高速齒數(shù)21，低速齒數(shù)73。

第一級(jí)：太陽輪齒數(shù)17，行星輪齒數(shù)31，齒圈齒數(shù)79。

2.2 傳動(dòng)比

第一級(jí)傳動(dòng)比為 1/（1+79/17），對(duì)于齒圈固定，太陽輪與框架的旋轉(zhuǎn)方向一致，與行星輪的旋轉(zhuǎn)方向相反；

第二級(jí)傳動(dòng)比為21/73；

第三級(jí)傳動(dòng)比為23/66；

總傳動(dòng)比為56.33。

2.3 行星齒輪箱參數(shù)計(jì)算

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的行星齒輪箱里，設(shè)定行星輪、太陽輪、齒圈的齒數(shù)分別為pz、sz、rz，傳動(dòng)比為sci，太陽輪、行星輪和行星架的自轉(zhuǎn)頻率分別為 sf、 pf和f，其故障診斷中的嚙合頻率 mf與故障特征頻率 pff是非常重要的參數(shù)，可以通過觀察疑似故障位置附近的 mf與 pff相關(guān)的邊頻譜線的分布情況，來判斷其具體的故障位置和故障類型。下面主要介紹行星齒輪箱各個(gè)構(gòu)件的故障特征頻率以及嚙合頻率的計(jì)算方法。

圖4為行星齒輪傳動(dòng)示意圖。

圖4 行星齒輪傳動(dòng)示意圖

根據(jù)齒輪箱的各個(gè)參數(shù)，行星齒輪箱傳動(dòng)比為：

由圖4可知，行星輪與內(nèi)齒圈的嚙合點(diǎn)為點(diǎn)C，行星輪與太陽輪的嚙合點(diǎn)為點(diǎn)B，則：

3 行星齒輪特征頻率分析

行星齒輪的故障特征頻率定義為在單位時(shí)間內(nèi)行星故障齒輪與相嚙合齒輪的嚙合次數(shù)，即與太陽輪和內(nèi)齒圈的嚙合次數(shù)，也就是行星輪故障齒輪相對(duì)于行星架的旋轉(zhuǎn)頻率以及倍頻等。本實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)臺(tái)是由一個(gè)單級(jí)行星齒輪箱和兩極平行級(jí)齒輪箱構(gòu)成的，行星輪有兩種齒輪嚙合副，分別是行星輪與內(nèi)齒圈、行星輪與太陽輪的嚙合，由于它們擁有相同的嚙合頻率，因此在后面分析故障信號(hào)的特征頻率的時(shí)候要注意區(qū)分這兩種故障信號(hào)，否則容易出現(xiàn)判斷失誤的現(xiàn)象。

圖5為行星級(jí)齒輪箱的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)圖，這樣就可以清楚和直觀地看到各個(gè)行星齒輪的運(yùn)動(dòng)方式，從而得出各個(gè)齒輪的運(yùn)動(dòng)方程式，然后根據(jù)已知的參數(shù)來計(jì)算行星輪的故障特征頻率。圖 5(a)是行星輪繞太陽輪軸進(jìn)行公轉(zhuǎn)；圖 5(b)是行星輪繞行星軸自轉(zhuǎn)；圖 5(c)是行星輪的實(shí)際合成的運(yùn)動(dòng)，是前兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的結(jié)合。當(dāng)行星輪繞行星輪軸轉(zhuǎn)過β時(shí)，其繞太陽輪軸轉(zhuǎn)過α,即α+β=γ。當(dāng)行星輪發(fā)生故障的齒與太陽輪嚙合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)沖擊。假設(shè)發(fā)生故障的行星齒輪與太陽輪相嚙合的時(shí)候，正好旋轉(zhuǎn)到傳感器正下方，此時(shí)振動(dòng)信號(hào)的傳遞路徑是最短的，所以振動(dòng)信號(hào)的損失也是最小的，便于對(duì)其振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理。行星齒輪經(jīng)過時(shí)間 t1再次與太陽輪嚙合，其振動(dòng)沖擊頻率就是即：

圖5 行星輪與太陽輪嚙合示意圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

采集設(shè)備為PAK噪聲振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，見圖6；加速度傳感器為Dytran 3056B1，見圖7。

圖6 噪聲振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)

圖7 加速度傳感器

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的具體參數(shù)等，為盡量覆蓋行星齒輪箱的所有振動(dòng)頻率，設(shè)定的采樣頻率為16 384 Hz，由于齒輪箱的行星級(jí)轉(zhuǎn)速很慢，行星級(jí)的輸入端的最高轉(zhuǎn)速為 26.6 r/min，因此為了采集較全面的時(shí)域數(shù)據(jù)，設(shè)置的采樣時(shí)間為60 s。

5 信號(hào)分析與處理

圖 8是變頻器在 50 Hz下，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，三種情況的信號(hào)在 8種負(fù)載下的幅頻圖對(duì)比。三種情況分別是無故障、剝落故障、斷齒故障。負(fù)載范圍為0.1～0.4 MPa。

圖8 行星齒輪在8種負(fù)載下，三種情況的信號(hào)幅頻圖對(duì)比

通過圖8的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：行星齒輪的斷齒信號(hào)在幅頻圖上觀察還是比較明顯的，尤其是在行星輪與內(nèi)齒圈和行星輪與太陽輪的嚙合頻率的邊頻帶，可以明顯看到被調(diào)制的邊頻帶，50 Hz下的行星齒輪故障特征頻率為pff=1.15 Hz，在嚙合頻率mf=34.43 Hz的兩側(cè)分別有33.28、35.58、32.12、36.74 Hz等調(diào)制頻率。

6 結(jié)語

本文研制了風(fēng)電增速齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行星輪進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，通過噪聲振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，采集到不同轉(zhuǎn)速下、不同加載工況下的風(fēng)電齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)不同工況下的行星輪風(fēng)電齒輪箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和對(duì)比，研究了頻譜圖隨負(fù)載的變化趨勢(shì)，對(duì)今后相關(guān)的數(shù)據(jù)分析及處理有一定的指導(dǎo)作用。該風(fēng)電增速齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠真實(shí)、有效地模擬風(fēng)電實(shí)際運(yùn)行工況，為風(fēng)電增速齒輪箱研究提供了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。