风力发电机组齿轮箱振动测试与分析唐新安 谢志明 王 哲 吴金强 摘 要 对齿轮箱做振动测试和分析,通过模式识别找到齿轮箱损坏时呈现的特性,为齿轮箱故障诊断提供依据。 关键词 风力发电机组 齿轮箱 振动分析 故障诊断 中图分类号 TH113. 21 文献标识码 A 我国风电场中安装的风力发电机组多为进口机组。因为在恶劣环境下工作,其损坏率高达40%~50%。随着清洁能源的普及,齿轮箱的故障诊断和预知维修已迫在眉睫。本文就齿轮箱的故障诊断作一些探索性研究。 一、齿轮箱振动测试 采用北京东方所开发的DASP(Data Acquisition and SignalProcessing)测振系统,对某风电场4#、5#机组齿轮箱的不同测点(图1)做振动测试和分析,4#机组刚进行过检修运行正常作为对照机组,5#机组噪声异常为待检机组,对两机组齿轮箱的振动信号对比分析,判断存在故障。齿轮箱特征频率见表1。齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图表1 齿轮箱特征频率表 Hz齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图 二、信号分析 1.统计分析 由统计表2、表3可看出,5#机组振动值明显偏大,尤其是5~10测点振动值基本上是4#机组相应测点的2倍以上。表2 4#机组幅域统计表 m/s2齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图表2 5#机组幅域统计表 m/s2齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图 5#机组概率分布及概率密度函数反映其时间序列分布范围较宽(图2),峭度系数(即四阶中心距)与4#机组的(图3)明显,同(若以4#机组为标准g=0,那么5#机组g=0),预示5#机组存在古障。齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图 2.时域分析 通过时域分析(图4、图5),发现5#机组齿轮箱振动信号有明显异常.幅值转大,且有明显的周期性,其频率约大20Hz。齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图 3.频坷分析 由图6可见,5#机组齿轮箱的频谱图既有调幅成分又有调频成分(调制频率对中心频率的幅值不对称)。齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图 从5#机组功率谱密度函数(图7)可以看出,在频率177Hz、196Hz、531Hz及其倍频处幅值和4#机组(图8)相应测点相比成倍数增大。而177Hz是高速轴转频的7倍频,196Hz、531 Hz是齿轮箱第II级、第I级的啮合频率,因而可判断故障出现在第II级、第Ⅲ级。 齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图 4.特殊分析 在倒频谱(图9、图10)中可以看到,4#和5#机组的倒拼图中都有一个明显的频率为9.8Hz的尖峰,这个频率与 中间轴的转频相同,说明中间轴的回转误差较大,是主要的调制源。齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图 对比包络解调谱(图11、图12)可以看出,5#机组19.5Hz、39.1Hz和58.6Hz(中间轴转频的2倍频、4倍频和6倍频)就是调制的频率,说明中间轴发生了故障。齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图 从图13、图14可以看到,齿轮箱的频谱以第II级、第Ⅲ级齿轮啮合频率(196Hz、531Hz)及其倍频为中心频率,以中间轴的转频及其倍频为调制频率形成上下边频带。 据以上分析,可以确定该齿轮箱的第II级和第Ⅲ级轴、齿轮、轴承存在缺陷,拆检结果与诊断结果相符。齿轮箱-|||-叶轮 z-|||-z6-|||-太阳轮轴-|||-③ ④ ⑤ ⑥ 发电机-|||-⑨ ⑩|②①-|||-ZT Z-|||-⑦ zza ⑧ a-|||-z z22 z5 高速轴-|||-中间轴-|||-图1 齿轮箱、发电机测点分布图 三、结论 1.拆检结果证明,用上述方法可以快速、准确地判断出待检齿轮箱是否存在故障以及故障所在。 2.风力发电机组工作环境十分恶劣,输入载荷变化频繁,故障率非常高,维修困难。建议加强机组安全保护方面的设计(如加装机组状态监测系统等)。 3.风力发电机组由于结构复杂,转速变化频繁,故障类型多,有必要采用多种手段(如噪声测试、油液分析等)进行综合精密故障诊断。