風電機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)測是機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的主要技術之一，在許多工業(yè)行業(yè)得到廣泛應用。我國早期建設的風電場出于降低成本的考慮，一般不配備風電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)。隨著設備運行時間的不斷延續(xù)，風電機組傳動鏈故障率及維修費用高的問題逐漸突出，風電企業(yè)開始重視風電機組的運行狀態(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)標準NB/T31004-2011《風力發(fā)電機組振動狀態(tài)監(jiān)測導則》，對于風電機組振動監(jiān)測與故障診斷技術的發(fā)展起到

2、了有力的推動作用。
　　風電機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，是連接風輪和發(fā)電機，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程的關鍵部件。與一般機械設備中的傳動鏈相比，風電機組傳動鏈的載荷狀態(tài)、運行工況、環(huán)境條件和結構布局等方面均比較復雜，導致傳動鏈中齒輪、軸承等主要零部件的故障機理和故障發(fā)展模式等存在特殊性，故障率高于其它行業(yè)的同類設備，實際使用壽命遠遠低于設計壽命。因此，針對風電傳動鏈的運行特點及其故障診斷的共性問題，研究

3、新的理論和技術解決方法，提高故障診斷和預測準確性，對于保證風電機組設備的健康運行具有重要意義。
　　風電機組傳動鏈是機、電、液耦合的復雜結構，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、自動故障診斷和預測技術的應用。因此，根據(jù)風電機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上的改進方法，提高故障特征分析與提取功能和效果，是實現(xiàn)準確故障診斷的技術關鍵。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，并分別用雙饋式和直驅(qū)式風電機組傳動鏈的實測信號進行驗證。主要研究內(nèi)容和形成的結論如下:
　　(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構固有振動的卷積結果，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)進行帶通濾波處理，將激勵源成分和結構固有振動成分進行分離，然后對具有低倒頻性質(zhì)的結構共振成分進行頻譜重構，用重構頻譜反映故障引起的結構固有特性的變化，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變換的窄帶包絡分析通過選擇振動信號中反映結構共振的頻帶進行窄帶濾波，獲取反映故障的幅值包絡信息。該方法的主要問題是窄帶濾波頻帶不好確定，特別是對于風電傳動鏈這類復雜機械設備，濾波頻帶的選擇對包絡分析結果影響很大，甚至可能得出錯誤的診斷結果。針對這一問題，提出一種稱為“移動濾波包絡譜圖”的改進方法，利用中心頻率移動的窄帶濾波器對振動

7、信號進行分頻段窄帶濾波處理，求出每段濾波信號的幅值包絡譜，構成一組隨窄帶濾波中心頻率變化的“頻-頻”域的包絡譜陣，定義為“移動濾波包絡譜圖”。實例分析表明，移動濾波包絡譜圖可以清楚地區(qū)分正常狀態(tài)和故障狀態(tài)，直截了當?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)機械零部件故障造成振動信號中隨機成分的變化，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)特性分析中隨機成分的變化反映故障。但是振動信號中隨機成分的能