風力發(fā)電平行齒輪箱振動信號分析

邱婕 石惠明

摘要：齒輪箱產生的故障信號通常是非平穩(wěn)的振動信號，當齒輪出現(xiàn)故障時，采集的信號會出現(xiàn)一個區(qū)別其他的特征沖擊，并伴隨調制現(xiàn)象。滾動軸承在運行的過程中，出現(xiàn)的故障也有其相對應的振動信號特征，本文把滾動軸承不同故障類型根據(jù)引發(fā)激勵形式加以區(qū)別，并指出了滾動軸承頻譜呈現(xiàn)寬頻特征，在低頻段、中頻段、高頻段都包含軸承故障信息，且頻寬受到許多方面影響。

關鍵詞：齒輪箱故障;振動信號;特征

中圖分類號：TM614文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）14-0027-01

風能作為一種可持續(xù)的清潔能源，許多國家已經(jīng)把它作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要能源。風力發(fā)電機是將風能轉換成電能的主要設備，而齒輪箱作為風力發(fā)電機的關鍵機械系統(tǒng)，其健康狀態(tài)對風力發(fā)電機的正常運行起著至關重要的作用。齒輪箱在運行過程中常見的故障有齒輪斷齒、齒根裂紋、軸承的失效、軸磨損等，嚴重影響著風力發(fā)電機的正常運行。

1齒輪振動與軸承振動產生原因

齒輪箱運行時產生振動是正常現(xiàn)象，其原因是在生產制造以及裝配過程中無法避免地產生誤差，這些原因都會造成輕微的振動，齒輪嚙合的振動機理產生的原因是當齒輪在運行時，相互嚙合的齒輪會產生沖擊，這種連續(xù)的沖擊會使嚙合的齒輪振動，齒輪的振動與嚙合頻率是一致的，由于齒輪在嚙合過程的彈性剛度的周期性變化引起了齒輪的碰撞，導致了齒輪的振動并隨之產生的噪聲。根據(jù)振動機理理論，得出當齒輪特定部位出現(xiàn)故障時，產生的振動和振動頻率有別于其他的部。

實際測量中滾動軸承的振動是由其工作情況以及故障狀況決定的，還受裝配情況以及外部因素的干擾，所以了解某種因素引起振動的信號特征是前提條件，在此基礎上提取軸承元件的故障特征的沖擊成分，來實現(xiàn)滾動軸承的故障診斷：

2齒輪箱振動信號特征分析

2.1齒輪故障的振動信號特征。齒輪嚙合的振動機理產生的原因是當齒輪在運行時，相互嚙合的齒輪會產生沖擊，這種連續(xù)的沖擊會使嚙合的齒輪振動，齒輪的振動與嚙合頻率是一致的，由于齒輪在嚙合過程的彈性剛度的周期性變化引起了齒輪的碰撞，導致了齒輪的振動并隨之產生的噪聲。當齒輪出現(xiàn)上文提到的如斷齒、齒面膠合、齒面磨損等其他問題時，該故障輪齒在嚙合時會產生異于正常狀態(tài)的沖擊，并產生較大的振動，依此作為診斷故障的依據(jù)。

當齒輪故障時，采集的信號會出現(xiàn)一個區(qū)別其他的特征沖擊，并伴隨調制現(xiàn)象。邊頻帶是齒輪的振動頻譜圖中較為明顯的頻率成分，它出現(xiàn)在嚙合頻率或者其諧波頻率附近，并且呈等間距出現(xiàn)。許多振動信號的調制特征都包含在邊頻帶中，當邊頻帶增多時，說明齒輪的嚙合出現(xiàn)故障的概率增大，根據(jù)邊頻帶的距離可以作為診斷故障來源的依據(jù)。因此，對邊頻帶的深入研究能夠更好地認識故障診斷的原理，對齒輪的調制現(xiàn)象和邊頻帶特征的區(qū)分，能夠提高齒輪故障診斷的準確性。調制現(xiàn)象主要有兩種形式：幅值調制和頻率調制。在加工工藝中出現(xiàn)誤差，造成齒輪上的齒距不均而出現(xiàn)的速度變化可能引起頻率調制問題。而產生幅值調制的原因是周期變化的轉矩，當傳動過程中，齒面出現(xiàn)缺陷，例如載荷不均都會引起幅值調制現(xiàn)象。

頻率調制現(xiàn)象與幅值調制現(xiàn)象相比較有不同之處，幅值調制現(xiàn)象主要以嚙合頻率為中心，還會產生族邊頻帶，而頻率調制不僅會有故障信息的族邊頻帶，還產生一個諧波信號。為了處理幅值和頻率調制可以通過一些信號數(shù)據(jù)處理得到包含故障信號的變頻帶。

2.2滾動軸承故障的振動信號特征。滾動軸承在運行的過程中，出現(xiàn)的故障也有其相對應的振動信號特征，根據(jù)分析信號形式的不同，把滾動軸承不同故障類型根據(jù)引發(fā)激勵形式加以區(qū)別，大體可以分為三類：

（1）當運行的滾動軸承出現(xiàn)嚴重損壞時，各零件磨損加劇，導致溫度升高，材料性能下降，產生較大沖擊，沖擊強度影響軸承損壞程度，這種情況成為尖峰型沖擊波;當滾動軸承由于維護不善或異物侵入等原因造成其表面粗糙度改變，表面材料出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象時，滾動軸承在工作時會產生頻帶交變的激勵成分，且這種激勵力是不具任何規(guī)律性;

（2）滾動軸承在沒有發(fā)生嚴重故障時，由于運行環(huán)境不潔凈，造成零件表面產生凸凹不平的工作面，此時滾動軸承的振動信號會包含交變的激勵成分，而且激勵力不具有任何規(guī)律性;

（3）滾動軸承在齒輪箱的安裝過程中也會存在問題，造成測得的滾動軸承振動信號出現(xiàn)類正弦波的信號，另一方面軸承存在加工精度的問題例如滾道表面有波紋，滾動體圓度偏差都會產生激勵信號。

根據(jù)以上分析，得出在運行中的軸承會產生一種或多種的激勵，要區(qū)別各種激勵對軸承造成的影響，因此還要了解滾動軸承頻譜的一般特征：

①滾動軸承頻譜呈現(xiàn)寬頻特征，在低頻段、中頻段、高頻段都包含軸承故障信息，而且頻寬受到許多方面影響例如：軸承損傷類型，軸承尺寸、形狀和轉速等因素;

②在低頻段的軸承信號主要包含軸承的特征頻率和軸承固有頻率成分。主要對應故障有裝配不對中和保持架變形;但在運行的齒輪箱診斷過程中軸承低頻段信號能量很小，往往被噪聲干擾，不易提取;

③在中頻段的軸承信號包含軸承其零件固有頻率特征;

④高頻段的軸承信號主要是由于沖擊多引起的，而劇烈的沖擊是形成故障的原因，因此對高頻段的分析，可以對軸承的相應故障進行診斷。例如，滾動軸承內外環(huán)及滾動體發(fā)生疲勞或點蝕等故障時，在頻譜中高頻段出現(xiàn)以外環(huán)固有頻率為載波頻率的調制邊頻成分。

3結語

風力機齒輪箱的主要由一級行星輪系和二級平行輪系結構組成，齒輪箱在運行中故障比例較大是齒輪和軸承結構，文中分析了齒輪的振動產生原因，也說明滾動軸承的振動產生原因。通過對故障理論分析，總結出齒輪和軸承的振動信號特征信息。：

參考文獻：

[1]譚曉靜.北票風電場發(fā)電機組的齒輪箱故障診斷研究：（碩士學位論文）.阜新：遼寧工程技術大學，2010.

[2]王曉斌.基于粒子濾波的齒輪箱故障診斷研究：（碩士學位論文）.太原：中北大學，2011.