兆瓦级风电齿轮箱高速齿轮断齿失效剖析知识分享-问鼎国际官网
兆瓦级风电齿轮箱高速齿轮断齿失效剖析知识分享
摘 要:
风电齿轮箱是风机传动链的主要组成部分，，，，，其中高速级齿轮事情情形重大多变，，，，，失效破损易发，，，，，极易引发齿轮箱的故障，，，，，甚至带来灾难性效果而停�；；�。。。。实时状态监测及故障诊断，，，，，关于确保风机正常运行尤为主要。。。。�；；谡穸藕诺姆缁收险锒涎芯恳觳愠霾磺睿�，，，然而现有的要领对详细型号风机不具有普适性。。。。因此，，，，，该文对在齿轮失效特征归类总结的基础上，，，，，选取高速齿轮断齿时的振动信号，，，，，通过小波变换对原信号消噪，，，，，有用辨识边频带特征，，，，，以反应齿轮失效水平;进而通过频谱变换获得频域特征，，，，，以反应齿轮失效的类型。。。。效果批注，，，，，断齿爆发时，，，，，时域上幅值有周期性攻击，，，，，周期为转速的倒数。。。。频域上，，，，，转频的5倍频均有大幅增添，，，，，甚至抵达127倍;高转速下啮合频率2倍边频带差池称性更为显着，，，，，3倍频幅值增添达4.4倍;断齿失效下会引起该型号风机1200～1500Hz频段的共振征象，，，，，研究效果可作为该型号风机断齿失效诊断的基础数据。。。。问鼎国际官网
小序
兆瓦级风力发电机恒久事情于野外，，，，，事情情形卑劣。。。。其中，，，，，齿轮箱高速级齿轮转速高、受载频仍，，，，，更易爆发失效，，，，，甚至间接引起其他零部件的失效。。。。这些失效一直生长，，，，，直至爆发重大事故而停�；；�，，，严重影响风电企业的效益。。。。为了及早发明齿轮失效，，，，，制订响应维修战略，，，，，通常使用收罗齿轮振动信号来剖析运行状态的要领。。。。在对振动信号的剖析中，，，，，强噪下微弱失效特征、复合故障诊断是当今机械故障诊断领域的难点。。。。
关于齿轮振动信号剖析，，，，，研究职员提出了许多有用的要领。。。。对收罗的风机振动信号消噪方面，，，，，现在研究较多基于小波变换、履历模态剖析等的消噪要领。。。。
即先将信号举行多层剖析，，，，，在每层划分设置阈值消除噪声因素，，，，，最后经由重构信号以抵达消除噪声凸显失效特征的目的。。。。在特征提取方面，，，，，由于风机振动信号的非平稳性、非线性的特征，，，，，时域特征的提取并没有取得显着的效果，，，，，对风机振动信号的特征提取主要集中在频域和时频域上。。。。在频域上的特征提取包括频谱、倒频谱、功率谱、高阶谱、解调谱和阶比谱剖析等。。。。时频联合剖析能有用对非平稳信号举行剖析和处置惩罚，，，，，从中提取故障信号中所包括的特征信息，，，，，主要有短时傅里叶变换、小波变换、希尔波特黄变换和EEMD等。。。。
虽然科研职员围绕风机齿轮箱的失效诊断开展了大宗的研究，，，，，接纳了种种消噪、特征提取的要领，，，，，但详细到某型号风机则需要对齿轮失效普适性纪律细节化，，，，，以提高失效诊断的准确性。。。。因此，，，，，该文在对风机齿轮失效特征归类总结的基础上，，，，，对一风场某型号大功率风机齿轮箱高速级齿轮断齿失效的振动信号举行小波消噪和频域特征提�。。。。�，，，以期建设断齿失效的判据为该型号风机的故障诊断提供基础数据。。。。
1、齿轮失效特征归类概述
兆瓦级风机齿轮箱事情情形越发重大，，，，，交变载荷以及运行速率的时刻改变给齿轮失效类型的准确诊断和定位带来了很大难题。。。。除了齿轮恒久运行逐渐积累的失效，，，，，风力齿轮箱的重大运行情形使随机攻击带来失效也时常爆发。。。。为此，，，，，该文连系齿轮失效机理和失效演化历程对差别失效类型的特征举行归类剖析，，，，，以便越发快速判断失效水平和类型。。。。
齿轮正常啮合、爆发漫衍式失效、局部失效3种情形，，，，，对其时域、频域特征举行详细剖析。。。。爆发断齿失效时，，，，，在断齿处将会爆发很大的攻击，，，，，在时域上体现为幅值的纪律性增大;在频域上体现为啮合频率及其倍频的边频带数目增添，，，，，幅值增大，，，，，漫衍变广，，，，，同时由于攻击会引起齿轮箱某阶固有频率，，，，，爆发共振带。。。。当齿轮爆发漫衍式失效时，，，，，如齿轮爆发匀称磨损时，，，，，会导致传动间隙增添进而引起齿轮啮合点相对位置的转变，，，，，从而使激励因素爆发转变。。。。在频谱体现为旋转频率、啮合频率及其倍频的位置不爆发转变，，，，，但幅值增大，，，，，即会爆发啮合频率及其倍频的幅值增大的征象，，，，，同时振动信号会引发以转频为距离的啮合频率边频带。。。。这是由于漫衍式失效的啮合线相较于正常啮适时爆发一定转变，，，，，啮合的平稳性受到破损，，，，，攻击能量增大，，，，，使振动的幅值也响应增添。。。。啮合频率幅值，，，，，边频带的振动幅值越发敏感于齿轮的磨损。。。。因此，，，，，边带效应所对应的幅值转变是判断齿轮是否保存磨损的主要指标，，，，，同样当齿轮磨损严重时，，，，，其啮合频率的高次谐波也将越发显着。。。。
2、信号消噪
兆瓦级风电机组事情情形卑劣，，，，，收罗的振动信号除了包括有随机噪声外，，，，，风机塔筒的低频振动等也会与系统的振动信号爆发调制，，，，，如图1所示。。。。
图1 信号幅值调制历程
齿轮某些失效特征较量微弱，，，，，容易淹没于噪声中。。。。为了更好地提取故障特征，，，，，需要对收罗的振动信号举行预处置惩罚，，，，，以尽可能消除噪声对特征提取的影响。。。。古板的数字滤波器如IIR、FIR滤波器只能实现低通、带通或高通等一定频带内的数字滤波，，，，，关于非平稳的风机振动信号消噪效果并不睬想，，，，，而小波消噪在非平稳振动信号消噪方面取得了优异的效果。。。。其原理如图2所示。。。。
图2 小波消噪原理
从原理可知，，，，，小波消噪的要害在于以下3个方面:选择合适的小波基;设置合理的阈值;确定合理的剖析层数。。。。现在，，，，，小波基的选择并没有标准的理论依据，，，，，要凭证差别的振动信号选择差别的小波基。。。。当振动信号波形与小波基波形相似度越大时，，，，，小波基的选择越合适。。。。关于现实的振动信号，，，，，需要做大宗试验来确定合适信号的小波基函数。。。。同时在选择小波基时，，，，，小波的对称性、平滑性也是需要思量的，，，，，而三者之间又相互制约，，，，，一样平常要综合思量来实现三者的相对平衡。。。。
关于去噪后的效果评价通常有2个条件，，，，，即信噪比SNR和均方根误差RMSE，，，，，一样平常综合剖析两者之后再思量去噪性能的优劣。。。。假设S(k)为原始信号，，，，，图片(k)为消噪后的信号，，，，，SNR的界说如式(1)所示。。。。
RMSE均方根误差界说如式(2)所示。。。。
信噪比越大去噪效果越好，，，，，均方根误差越小重构的信号与有用信号的靠近水平越大。。。。
3、复合故障实例剖析
西北某风场1.5MW风机齿轮箱有振动和异响，，，，，经现场检查发明风机保存有断齿失效，，，，，如图3所示。。。。
图3 断齿失效
对收罗的该风机振动信号举行时域、频域的剖析，，，，，以为后期建设此类风机振动特征数据库提供基础数据。。。。该风机失效齿轮振动信号采样频率为51200Hz，，，，，采样时间为2.5S，，，，，选取该齿轮在1800r/min下的振动信号举行剖析。。。。其相关参数如表1所示。。。。
表1 1800r/min齿轮运行参数
3.1小波消噪处置惩罚
在对现实收罗的振动信号举行消噪时，，，，，首先要选择小波基。。。。在选择小波基时要从以下5个方面思量，，，，，即支持长度、对称性、消逝矩、正则性和相似性。。。。若是小波基的支持长度太长，，，，，会爆发界线问题，，，，，太短又会使消逝矩变低，，，，，倒运于能量集中。。。。在包管小波基波形与原始信号尽可能相似的情形下，，，，，综合思量选择消逝矩和支持长度。。。。因此，，，，，选择DbN，，，，，symN，，，，，coifN小波基，，，，，通过评价指标最终确认小波基及其相关参数。。。。
首先对DbN系列小波的去噪效果作比照，，，，，以选出针对该振动信号去噪效果较好的小波基。。。。选择db系列小波，，，，，剖析层数5层，，，，，阈值规则选为Fixed form threshold，，，，，各小波基消噪效果如图4所示。。。。
图4 差别小波基消噪效果比照
从图4的曲线转变趋势可知，，，，，当小波基为db8时，，，，，具有最大的信噪比和最小的均方根误差，，，，，选择该小波基可以选择较优的去噪效果。。。。然后比照差别剖析层数对消噪效果的影响，，，，，如图5所示。。。。图5中在剖析层数为5层时，，，，，具有较高的信噪比。。。。
图5 剖析层数消噪效果比照
确定了小波基和剖析层数后，，，，，需要比照差别阈值规则对消噪效果的影响，，，，，如图6所示。。。。
图6 差别阈值规则消噪效果比照
当阈值规则选择Rigorous SURE(SNR=26.477，，，，，RMSE=0.2387)时，，，，，其消噪效果远优于Fixed form threshold(SNR=9.2174，，，，，RMSE=1.7414)。。。。最终，，，，，关于该振动信号，，，，，dbN系列小波选择db8小波基，，，，，5层剖析层数，，，，，RigorousSURE硬阈值时，，，，，可以取得较好的消噪效果。。。。接纳同样的要领对sym系列小波举行选择。。。。最终，，，，，symN系列小波选择效果为:Sym10，，，，，5层剖析层数，，，，，RigorousSURE硬阈值。。。。此时，，，，，信噪比SNR=26.5788，，，，，均方根误差RMSE=0.2360。。。。比照db8小波消噪效果，，，，，小波基为sym10相较于前者具有更优的信噪比和均方根误差。。。。最终选择sym10为该振动信号消噪。。。。对振动信号现实消噪效果如图7所示。。。。
图7 小波去噪前后比照
经由小波消噪后，，，，，提高了信号的平滑性，，，，，保存了信号的局部特征;信号的振动转变趋势越发显着，，，，，细节特征区分越发清晰。。。。
3.2失效特征剖析
该型号风机爆发断齿失效时，，，，，其时域波形如图8所示。。。。
图8 断齿时域
从图8可知，，，，，爆发断齿时，，，，，在时域具有显着的周期性攻击。。。。攻击峰值距离约为125ms，，，，，为自动轮转频(7.94Hz)的倒数。。。。
剖析图9频谱图，，，，，从整体频谱图9a可知，，，，，该转速下转频的5倍频幅值有较为显着的增添。。。。其详细细节如图9b所示，，，，，转频的5倍频幅值(0.03198m/s2)是1倍转频幅值(0.01214m/s2)的2.6倍;啮合频率的幅值(0.06721m/s2)约即是或远低于2倍(0.06045m/s2)、3倍啮合频率幅值(0.2988m/s2)。。。。并且2倍啮合频率处保存以转频及其倍频为距离的边频带，，，，，边频带呈差池称漫衍，，，，，2倍啮合频率的高频侧边频带幅值远大于低频侧，，，，，在啮合频率的其他倍频并无显着边频带泛起。。。。
图9 断齿失效频谱
在啮合频率及其2倍频之间保存幅值异常增大的边频带，，，，，是由断齿引起的齿轮某阶共振频率。。。。同时，，，，，对振动系统收罗的其他时段的振动信号举行剖析。。。。这些数据主要收罗时间为9d，，，，，收罗时间距离为4h，，，，，共计49组数据。。。。其中，，，，，转速为0的数据4组，，，，，转速极小的数据4组，，，，，剔除后所剩数据41组。。。。这些数据的转速在1012～1822r/min。。。。为了便于研究，，，，，凭证转频幅值巨细将数据分为3组，，，，，即1012～1235r/min，，，，，1399～1620r/min，，，，，1700～1822r/min。。。。
在高速与相对低的转速之间时，，，，，即1399～1620r/min转速规模内，，，，，转频及其倍频的幅值差别越发显着。。。。如5倍转频幅值平均是1倍转频幅值的59.2倍，，，，，最高甚至抵达159.41倍。。。。而在其他转速下，，，，，平均差别划分为较低转速下的0.47倍和高转速下的7.0倍。。。。
可见，，，，，在研究振动信号的转频特征时，，，，，从1399r/min和1620r/min转速规模内更易提取。。。。从啮合频率可知，，，，，其2倍频的边频带更易发明差池称的特征，，，，，其他倍频主峰值远高于边频带，，，，，特征不显着。。。。虽然爆发断齿后，，，，，共振带一直保存于振动信号中，，，，，但它更易淹没较低转速下的信号，，，，，影响特征的提取。。。。
4、结论
(1)小波剖析在处置惩罚风机振动信号的噪声消除方面具有优越性，，，，，在对该型号风机消噪时，，，，，选择sym10小波基，，，，，5层剖析层数，，，，，并选择Rigorous SURE硬阈值能取得较量理想的去噪效果。。。。
(2)研究该型号风机的转频特征时，，，，，低于高速下的一定转速规模内特征越发显着。。。。
(3)该型号的风机系统的共振频率在1325～1500Hz规模内，，，，，在举行系统的故障特征剖析时应该只管阻止选择啮合频率的2倍和3倍频落在该规模内，，，，，以免啮合频率的倍频与该共振频率叠合，，，，，影响故障特征的识别。。。� ？Ｎ识使偻�
