風(fēng)電機(jī)組傳動鏈振動分析與故障特征提取方法研究.pdf

1、振動監(jiān)測是機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的主要技術(shù)之一，在許多工業(yè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。我國早期建設(shè)的風(fēng)電場出于降低成本的考慮，一般不配備風(fēng)電機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)。隨著設(shè)備運行時間的不斷延續(xù)，風(fēng)電機(jī)組傳動鏈故障率及維修費用高的問題逐漸突出，風(fēng)電企業(yè)開始重視風(fēng)電機(jī)組的運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷，特別是國家能源局于2011年頒布的推薦性國家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T31004-2011《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動狀態(tài)監(jiān)測導(dǎo)則》，對于風(fēng)電機(jī)組振動監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的發(fā)展起到

2、了有力的推動作用。
　　風(fēng)電機(jī)組傳動鏈主要由傳動軸及支撐軸承、增速齒輪箱等旋轉(zhuǎn)部件組成，是連接風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程的關(guān)鍵部件。與一般機(jī)械設(shè)備中的傳動鏈相比，風(fēng)電機(jī)組傳動鏈的載荷狀態(tài)、運行工況、環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)布局等方面均比較復(fù)雜，導(dǎo)致傳動鏈中齒輪、軸承等主要零部件的故障機(jī)理和故障發(fā)展模式等存在特殊性，故障率高于其它行業(yè)的同類設(shè)備，實際使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命。因此，針對風(fēng)電傳動鏈的運行特點及其故障診斷的共性問題，研究

3、新的理論和技術(shù)解決方法，提高故障診斷和預(yù)測準(zhǔn)確性，對于保證風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的健康運行具有重要意義。
　　風(fēng)電機(jī)組傳動鏈?zhǔn)菣C(jī)、電、液耦合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可能產(chǎn)生故障的部位多，從故障激勵源到振動監(jiān)測點經(jīng)過不同傳遞途徑的衰減和混合作用，監(jiān)測到的振動信號往往是不同激勵源及傳遞途徑的復(fù)雜卷積混合作用，具有背景噪聲干擾大、非平穩(wěn)、非線性的特點，在許多實際場合，用經(jīng)典的振動信號分析方法難以給出反映故障特征的準(zhǔn)確信息，影響了對故障的精確分析診斷，更限制了

4、自動故障診斷和預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用。因此，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組傳動鏈中齒輪箱和支撐軸承的特殊性，研究在經(jīng)典振動信號分析方法的基礎(chǔ)上的改進(jìn)方法，提高故障特征分析與提取功能和效果，是實現(xiàn)準(zhǔn)確故障診斷的技術(shù)關(guān)鍵。本文在這樣的背景下，探討了對幾種經(jīng)典振動信號分析的改進(jìn)，并分別用雙饋式和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組傳動鏈的實測信號進(jìn)行驗證。主要研究內(nèi)容和形成的結(jié)論如下:
　　(1)倒頻譜具有一個“同態(tài)濾波”的重要性質(zhì)，可以實現(xiàn)卷積混合信號的分離。利用倒頻譜的同態(tài)濾波性

5、質(zhì)，提出一種提取齒輪箱故障特征的方法，由于監(jiān)測到的振動信號是激勵源與傳遞過程的結(jié)構(gòu)固有振動的卷積結(jié)果，這兩種信號成分在倒頻域的特性存在明顯差別。據(jù)此，對齒輪箱振動信號在倒頻域內(nèi)進(jìn)行帶通濾波處理，將激勵源成分和結(jié)構(gòu)固有振動成分進(jìn)行分離，然后對具有低倒頻性質(zhì)的結(jié)構(gòu)共振成分進(jìn)行頻譜重構(gòu)，用重構(gòu)頻譜反映故障引起的結(jié)構(gòu)固有特性的變化，從而揭示故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢。對風(fēng)電齒輪箱和軸承振動的分析實例表明，該方法提取的特征值具有受運行工況影響小，在各種

6、運行工況下都能夠清楚表征故障狀態(tài)，而且可以很好地反映故障的發(fā)生發(fā)展趨勢。
　　(2)基于Hilbert變換的窄帶包絡(luò)分析通過選擇振動信號中反映結(jié)構(gòu)共振的頻帶進(jìn)行窄帶濾波，獲取反映故障的幅值包絡(luò)信息。該方法的主要問題是窄帶濾波頻帶不好確定，特別是對于風(fēng)電傳動鏈這類復(fù)雜機(jī)械設(shè)備，濾波頻帶的選擇對包絡(luò)分析結(jié)果影響很大，甚至可能得出錯誤的診斷結(jié)果。針對這一問題，提出一種稱為“移動濾波包絡(luò)譜圖”的改進(jìn)方法，利用中心頻率移動的窄帶濾波器對振動

7、信號進(jìn)行分頻段窄帶濾波處理，求出每段濾波信號的幅值包絡(luò)譜，構(gòu)成一組隨窄帶濾波中心頻率變化的“頻-頻”域的包絡(luò)譜陣，定義為“移動濾波包絡(luò)譜圖”。實例分析表明，移動濾波包絡(luò)譜圖可以清楚地區(qū)分正常狀態(tài)和故障狀態(tài)，直截了當(dāng)?shù)胤从彻收弦鸬恼駝有盘柛鱾€頻段的變化。
　　(3)齒輪、軸承等旋轉(zhuǎn)機(jī)械零部件故障造成振動信號中隨機(jī)成分的變化，對信號的循環(huán)平穩(wěn)特性產(chǎn)生影響，因此可以用循環(huán)平穩(wěn)特性分析中隨機(jī)成分的變化反映故障。但是振動信號中隨機(jī)成分的能