風電機組多級齒輪系統的故障動力學特性分析

張二輝 冉子碩 張文雄

摘要：近些年，為了解決能源供應緊張和環境問題，我國對新型清潔能源進行有效利用，提升清潔能源利用率是當前面臨的一項挑戰。無論是風力發電技術還是風力發電成本都有著較高的優勢，因此發展速度較快。為了確保風電機組處于穩定且可靠的運行狀態，防范因故障而造成不良的后果，就需要動態監控結構和重要部位的具體運行狀態，全面識別風險。通過精準的分析，為后期風電機組齒輪系統狀態監測工作高效率開展以及動力學建模提供可靠的依據。

關鍵詞：風電機組；齒輪；故障；動力學

DOI：10.12433/zgkjtz.20240353

一、風力發電的優勢

風力發電是利用風能的極佳方式。為了避免傳統能源對自然環境產生不良影響，近些年，我國加大了對風力發展的重視程度。風力與其他類型的可再生資源相比，風力發電無論是技術成熟度還是成本控制以及基礎設施建設都有著明顯的優勢，在未來能源結構中，風能將發揮出一定的優勢。其中，有關于風力發電機根據風輪的結構以及從氣流內的位置，可以劃分為水平軸以及垂直軸風力發電，風速變化有著不穩定性現象，在風力機運行期間，要想提升轉化風能的效率，必須采取完善的轉速控制策略，讓葉尖速比處于合理范圍內，采取與之相符的控制方式，全面控制風輪的設計運行速度。當機組容量越大，葉輪直徑越長，轉速就越低。當前，應當做好齒輪增速箱運行狀態的監測工作，提前預防故障的發生，促使風電機組穩定運行。

二、風力發電機齒輪箱故障診斷和狀態識別方式

在齒輪嚙合運動期間，輪齒載荷變化使振動信號發生明顯變化。以往傳統的故障診斷方式包括頻譜分析、道譜分析、解調分析等。

第一，齒輪傳動信號中的二階合頻率分量。對于載荷作用有著一定的敏感性，基于載荷的增加而逐漸上升，振動信號的有效值和峰值伴隨著載荷的增大而垂直增大。

第二，輪齒載荷在旋轉頻率各項階倍頻影響下并不是特別明顯。齒輪嚙合引起的齒輪箱振動信號的振幅將會受到扭矩負載變化的影響和變化，決定了時間同步平均振動信號。結合變載荷情況下，齒輪箱振動信號的特征，對變載荷下齒輪箱故障診斷方式有效研究，利用風力發電機齒輪箱振動加速度時間同步平衡信號。動態性檢驗行星齒輪的輪齒斷裂故障，同時將時間同步平均信號內頻譜中的鎳和頻率，有效獲取自動查詢信號，對該項殘余信號進行連續小波變換后提取的特征量，基于載荷情況下檢驗出早期斷齒故障現象。

第三，將統計距離和相似概率當作齒輪破碎的指示量，能夠指示出齒輪的破損程度。機組工況變化帶來的信號總體能量差異產生的影響性非常小，應用振動信號的幾項特征信息當成齒輪運行狀態的特征向量，將齒輪運行狀態和故障特征清楚體現出來。為了減少瞬變載荷對振動信號特征量產生的一系列影響，然后開展齒輪箱故障診斷，以此提升準確性。

本文探討了風力發電機的齒輪傳動信號建模方式。在分析嚙合剛度計算方式的基礎上，提升運算效率，以縮減計算時間為基本的目標，探究新的內外嚙合剛度方式，比較各項構件的振動特征。受運行條件和安裝位置等多項因素的影響，直接開展風電機組傳動系統實驗操作有著一定的難度，以系統各項固件存在的故障形式為主，探究參數變化，對于行星輪系固有特性產生的影響。箱體振動加速度信號有著能夠體現齒輪系統運行狀態的各項信息，不過傳遞過程十分復雜，因此該項信號和具體的齒輪傳動信號之間關系比較繁瑣。

三、風電機組齒輪傳動行星輪系動態特征分析

齒輪系統的動態特性主要包含多個方面，分別是固有特性、動態激勵作用之下系統的響應以及動力穩定性。在風力發電機齒輪傳動系統運行過程中，行星輪系是非常重要的一方面，輸入端和風輪主軸相互連接，外界隨機變化風載荷對于輸入轉矩有著直接性的影響，但是由于結構的特殊性，動態特征和普通的平行軸齒輪系統相比極為復雜。精準地掌握風電機組行星輪系的動態特征，是分析整體齒輪傳動系統振動特征的一項關鍵所在。

第一，創建行星齒輪系統等效分析模型。風力發電機傳動系統內的行星輪系運行于低速狀態下，輪系中各項中心構件質量較大，因此可能出現契合現象，對行星輪系載的平衡特征產生了一定的影響。同時，影響了系統的動態特性，安裝位置和結構尺寸差數有著一定的特殊性，對風電機組中的行星輪系進行實驗研究面臨的難度極高。這就需要創建和系統相一致的等效模型，為優化設計以及分析傳動系統提供保障。行星輪系的固有頻率和陣型作為固有特征中不可缺少的一方面，也是系統的基本動態特征之一，結合行星齒輪系統的固有特征，對確定系統在外載荷作用之下的動態響應和振動模式有著極高的作用。

第二，在行星齒輪系統中，行星架和太陽輪是輸入和輸出的基本構件，行星架的質量是其他運動構件質量的數倍，振動水平直接影響整個系統振動情況。基于兩種中心構件的振動模式下，行星架振動位移幅值和太陽輪振動位移幅值比。伴隨著固有頻率接觸的增大，總體上呈現下降現象，這說明在低階陣型中太陽輪和行星架的振動水平一致，行星架的振動對整體振動水平的影響完全不低于太陽輪。

第三，系統參數對行星輪系固有特征的影響。隨機載荷、支撐條件和環境振動等各項因素對于風電機組齒輪箱具體工作有著直接性的影響。基于運行時間的延伸，某些組件完全脫離了理想的工作狀態，整個系統的工作狀態發生了改變。清楚了解各項參數變化對于系統固有特征產生的影響，可以為系統運行情況提供一定的參考。不過，從理論方面來看，利用解析的方式對該項問題加以分析有一定的難度。一是齒圈安裝松動。內齒圈是固定的構件直接被安裝在基座上，鏡像和切向支承剛度較大，在齒圈發生松動現象以后，切向的支承剛度逐漸減小，齒圈切向剛度的減小對低階中心構件扭轉振動模式有著直接性的影響。二是行星架是齒輪傳動系統的輸出構件，主要經過聯軸節和主軸相互連接，負責傳遞作用在風輪上的轉矩。行星架徑向剛度對于系統的扭轉振動模式以及行星輪振動模式沒有影響。行星架支撐高度變化之前和變化以后，各階平移振動模式的中心構件振型幅值基本上是相同的。三是安裝太陽輪浮動。對于行星齒輪系統，在重載工況下運行過程中，為了對均載特性有效改善，可以把太陽當成基本的浮動構件。實現太陽輪浮動包含諸多方式，不過在動力學分析過程中，具體結構形式并不是考慮的要點。由于安裝方式不同，能夠使太陽輪的徑向支承剛度發生改變，與行星架支撐高度變化引起的系統固有頻率變化規律相一致。太陽輪浮動安裝對各階扭轉振動以及行星輪振動模式沒有影響。

第四，系統中嚙合剛度對行星輪系固有特征的影響。在行星輪系集中參數模型中，輪齒之間的嚙合剛度為時間的函數。在探究支撐高度變化對系統固有特征影響時，主要是以等效的內外葉和剛度為主，從雙齒和單齒嚙合區域內外嚙合剛度有著明顯的變化。行星齒輪系統外嚙合之間存在一定的相位差，因此在太陽輪和齒圈不為行星輪個數的整數倍時，各項齒輪之間的嚙合狀態變化程度難以保持一致性，這在一定程度上增加了系統固有特征的復雜程度。如果太陽輪和各項行星輪之間的嚙合剛度產生相同變化以后，行星輪系的振動模式不發生變化，只有各項振動模式所對應的固有頻率發生改變，鎳和鋼的均勻變化對三種振動模式的高階固有頻率影響程度特別大。然而，高階固有頻率與行星輪系工作頻率有著一定的距離，結合模態疊加的基本原理對系統實際振動響應貢獻較少。在各項星輪和太陽輪或者此圈內和剛度不完全相等的情況下，整個系統的對稱性受到破壞，與各行星輪支承高度不完全相等的情況相似。

第五，對輪次的嚙合力精準計算，是分析系統動載和可靠性振動等問題的一項基礎工作。輪齒嚙合力和箱體中測取的振動加速度信號有著密切的聯系性，精準地掌握嚙合力的變化形式和影響因素，是行星輪系動態特征分析的組成部分，按照行星輪系的結構特征，嚙合力處于理想狀態下均勻配置。在分析嚙合力期間，動態載荷分配系數是反映出該項均載特征的基本指標。在穩定運行轉速下，中心構件和各行星輪之間的載荷分配系數。如果系統內各項固件沒有出現誤差，處于良好的擬合狀態，載荷分配系數的值呈現出周期性的波動各齒輪的載荷分配沒有明顯的不均勻性，在輪齒嚙入嚙出時會產生一定的黏合沖擊力，增加了載荷分配系數。比較嚙合剛度可以了解輪齒嚙入對載荷分配系數有著直接性的影響。在與相位完全相同的情況下，各項行星輪的嚙合狀態一致。載荷分配系數保持相同的變化規律，而且齒輪嚙入、嚙出直接影響了載荷分配系數，處于相同的周期內，計算不同結構參數的行星輪系。現階段，為了確保風輪夜間數比處于相應風速范圍內的穩定性，提升風能的利用率，大部分大型風電機組運行于不同轉速下。基于風輪轉速的增大行星輪系的均載特性處于惡化狀態，容易導致輪齒損傷。

四、風電機組多級齒輪系統的故障動力學特征分析

齒輪的制造和安裝誤差、齒面剝落、裂紋等多項故障有著密切聯系。這是引起齒輪振動的主要來源，故障齒輪振動信號的頻譜表現為以嚙合頻率和各次斜坡為中心的邊頻帶群，動態性識別不同的邊頻帶是齒輪故障診斷的要點。

（一）齒輪箱故障實驗

在齒面磨損的情況下，加速度信號的時域曲線與方波相接近，頻譜重合頻率高，次諧波的幅值明顯增大，接觸越高，諧波增大的幅度越高。在主動輪軸彎曲變形的情況下，時域波形呈現出齒輪和頻率和諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉頻以及倍頻是調制頻率的嚙合頻率調制現象，在頻譜中嚙合頻率以及倍頻附近形成幅值較小而且稀疏的邊頻帶。

（二）齒輪偏心和齒輪嚙合誤差模型

1.行星輪系的綜合嚙合誤差

輪齒的嚙合誤差是由齒輪加工和安裝誤差造成的，屬于齒輪嚙合中的動態激勵與齒輪傳動準確性，相對應齒輪精度標準中明確規定了三項精度硬件指標。其中，包含齒距的偏差、螺旋線總偏差等，精度標準中確定的指標主要是為了對齒輪的加工質量有效控制，同時提升測量的精準性。齒輪的加工誤差是齒廓表面與理想齒廓位置相偏離形成的。在動力學研究過程中，應當考慮由加工誤差引入的動態激勵時，為了保持分析的普遍性，一般會繞開具體的精度誤差，直接將實際的齒廓表面對理想齒廓表面的偏移當成輪齒的嚙合誤差。該項誤差也可以當成是在完整輪廓沿著嚙合線偏移的基礎上疊加了齒廓自身的偏差。因此，將輪齒的嚙合誤差劃分為面形誤差和齒距誤差。兩個互相嚙合齒輪的嚙合誤差曲線是單齒和誤差曲線疊加以后的包絡線。

2.分析形輪系中各項構件的偏心誤差

加工設備自身有著一定的精度，受到加工條件和安裝誤差等一系列因素的影響，使齒輪具體的回轉中心與幾何中心相偏離，從而增加了齒輪偏心誤差概率。從本質上來看，偏心誤差是一種齒形誤差，使齒輪嚙合時具體的嚙合齒廓與理想嚙合齒廓相偏離。對此，應當重點考慮兩項誤差從動力學模型中的基本表達方式，兩項誤差對系統的作用處于獨立性狀態，偏心誤差的存在對嚙合剛度產生一定的調制作用。

（三）分析制造和安裝誤差影響之下的嚙合力

內外激勵向量決定了齒輪系統動力學微分方程組的特解，系統的嚙合誤差、安裝偏差、支撐高度和行星輪的安裝位置等多項參數決定了內激勵向量的形式和數值大小、外激勵向量和系統輸入以及輸出轉矩有關。對傳動系統進行狀態檢測和故障診斷的基礎以及關鍵在于明確特征量，了解到特征量跟隨系統中各項物理參數變化的基本規律。

（四）行星架轉動對齒輪箱體振動信號產生的影響

對于行星輪系傳動，箱體振動信號體現行星架的振動情況，普遍受到行星架轉動的影響。這是行星輪系和定軸輪系輪箱體振動信號的基本區別。箱體振動信號是各項振源的振動，通過軸承等支撐構件的傳遞形成，傳遞過程對信號時頻域有直接性的影響。

第一，風電齒輪箱中行星輪系的內齒圈和齒輪箱體固定在一起，作為固定的構件。齒輪傳動信號的測量和軸承座以及箱體相比，直接從內齒圈外端安裝加速度傳感器，縮減振動信號傳遞的距離，避免信號衰減產生不良的影響，將反映齒輪的振動情況清楚地體現。

第二，對行星輪個數和齒輪齒數對箱體振動加速度的影響情況分析。當行星架存在制造誤差的情況下，行星輪的安裝位置也會發生偏差，該項誤差直接影響了輪系的轉動平穩性以及造成水平，同時決定了均載性能。

五、結語

基于風力發電機組新增裝機容量的增長，其安裝位置極為特殊，運行工況十分復雜，因此在傳動系統中關鍵構件故障出現的概率較高，影響了風力發電技術經濟性的體現。這就需要動態監控關鍵部件的運行狀態，精準發現故障隱患，全面清除。

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作者簡介：張二輝（1983），男，河北省蠡縣人，碩士，高級工程師，研究方向為新能源發電行業運營管理。