风机齿轮箱故障诊断与预警研究

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　　摘  要：能源是国家经济发展的命脉所在，一个国家国民经济发展情况与其能源的供应量有直接的联系，在众多能源中电能占据绝对的主导作用。近年来，我国风电行业发展迅速，越来越多的风电机组投入到风力发电运行中，且随着技术水平的不断提升，风机单机容量和总容量呈逐年增大的趋势，相关人员对风电设备的安全性和可靠性也有了更高的要求。但不可避免的是，随着风机设备投入时间的增加，风机系统逐渐进入故障高发阶段，一些故障会直接影响到风机的使用，进而影响到风电场的正常运行，甚至如果发生严重故障还可能危及到相关人员的人身安全。风机齿轮箱是风电机组中最重要的组成部分，经常受到冲击载荷和交变载荷的影响，是风电机组中出现故障情况最多的部件，且一旦风电机组发生故障会给相关部门带来巨大的经济损失甚至威胁到工作人员的生命安全，在此背景下，文章对风力发电机齿轮箱的故障诊断和预警进行了研究，为风力发电机机械设计的完善度提供了一定的借鉴。
　　关键词：风机齿轮箱;故障;诊断;预警;研究
　　中图分类号：TM315        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）28-0121-02
　　Abstract： Source of energy is the lifeblood of national economic development. The development of a country's national economy is directly related to its energy supply， and electric energy plays an absolutely dominant role in many energy sources. In recent years， with the rapid development of wind power industry in China， more and more wind turbines are put into wind power generation operation， and with the continuous improvement of technical level， the single unit capacity and total capacity of wind turbines are increasing year by year. The relevant personnel also have higher requirements for the safety and reliability of wind power equipment. But inevitably， with the increase of the input time of the fan equipment， the fan system gradually enters the stage of high incidence of faults， some faults will directly affect the use of the fan， and then affect the normal operation of the wind farm. Even if a serious failure occurs， it may endanger the personal safety of the relevant personnel. The turbine gearbox is the most important part of the wind turbine， which is often affected by the impact load and alternating load， and is the component with the most faults in the wind turbine. Since the failure of the wind turbine will bring huge economic losses to the relevant departments and even threaten the life safety of the staff， in this context， the fault diagnosis and early warning of the gear box of wind turbine are studied in this paper， so as to provide a certain reference for the perfection of wind turbine mechanical design.
　　Keywords： fan gearbox; fault; diagnosis; early warning; research
　　1 概述
　　在國家建设发展中，煤、石油和天然气等化石能源发挥了巨大的作用，满足了人们日益增长的生活需求，但这些化石能源在短期内不可再生，且燃烧会对环境造成较大程度的污染，因此为了更好的实现人类社会的可持续发展，中国乃至全世界都在开发新能源，保护地球现有环境上达成了共识。在新能源中，风能是一种典型的可再生、无污染的自然能源，如果能够充分利用风能进行发电将会使电力行业有突破性的变革，具有极大的现实意义。众所周知，运用风力发电风电机组是必不可少的机械设备，通常来说风能在高山、海岛以及一些荒野地区较为丰富，因此风电机组常年在以上恶劣环境下工作运行极易发生机械故障，据统计分析风电机组中齿轮箱是最容易发生故障且一旦发生故障诊断时间最长、导致经济损失最大的部件，再加上风机齿轮箱较其他结构而言具有更精细的结构构成，因此对风机齿轮箱故障诊断与预警也有更高的要求。 　　2 风机齿轮箱故障诊断方法研究
　　2.1 风机齿轮箱故障诊断的发展历史
　　从国内外风机齿轮箱故障诊断历史上分析，其主要经历了三个发展阶段。第一，人工诊断阶段。在早期，一切工业生产机械设备发生故障基本都是通过人工诊断方式进行的，对于风机齿轮箱故障来说，通常是操作人员通过专用的检测仪器对齿轮箱的振动信号进行检测和记录，然后根据自身的操作经验对数据加以分析判断，在人工诊断阶段，人们采用的分析方法也相对较为单一，且诊断准确度有限，因此这一时期的诊断功能具有一定的局限性不易大范围扩散。第二，计算机辅助诊断阶段。随着科学技术和电子信息技术的不断发展，计算机被越来越多的应用在机械设备诊断工作中，一般来说从机械数据的收集到数据库的建立分析，都可以借助电子计算机得以完成，甚至一些计算机能够直接诊断出机械设备的具体故障，常用的计算机诊断算法主要有神经网络诊断和专家系统诊断等。第三，网络化诊断阶段。网络化诊断是计算机故障诊断的发展和延伸，它比计算机诊断更加智能化，能够更加充分地利用有效的网络资源，实现无人化远程诊断，网络诊断技术的运用一方面增强了机械故障诊断的准确度和效率，另一方面大大节省了人力物力，更加方便进行统计管理，有助于管理操作人员更全面的掌握控制风机齿轮箱的运行状态。
　　2.2 国内风机齿轮箱故障诊断方法研究现状
　　现阶段我国国内风机齿轮箱故障诊断方法有很多，其中技术最成熟，效果最稳定的为振动信号分析法，振动信号分析法是一种利用传感器对机械设备的运行速度和运行信号进行采集的方法，具体来说，振动信号分析法可以分为以下三类：时域分析法、频域分析法和时频域分析法。
　　（1）时域分析法：风机齿轮箱时域分析法是一种最为直观的故障诊断方法，这种方法是对原始信号进行提取，这种原始信号属于时域信号，技术人员对收集起来的信号的时域特征进行分析。风机齿轮箱存在不同的故障会通过不同的时域信息表现出来。时域分析法的优点是分析数据能够更加直观简洁的被展现出来，但是它也有一定的缺点，就是其反应的故障信息量较为有限，因此检测故障时无法准确的检测出故障发生的位置，通常需要与其他设备仪器或者检测方法相配合。（2）频域分析法：风机齿轮箱故障频域分析法是将时域振动信号转换成为频域信号后，通过对频域信号的特征分析进行故障判定的方法，其诊断原理是如果齿轮箱发生故障，其发出的频率信号在某些频率点上往往具有较大的振幅，技术人员能够通过对振幅进行分析，找出齿轮机出现故障的部位和原因，进而对齿轮机进行有针对性的故障维修。通常情况，按照分析普的不同，可以将常见的频域分析法分为频谱分析、高阶谱分析和解调谱分析。频域分析的优点是能够对故障部位进行准确的定位，但是如果风机齿轮箱发出的信号不够平稳，则其故障诊断能力较差。（3）时频域分析方法：由于齿轮箱组成结构极为复杂，其振动信号也无法保证一直平稳，因此单纯依靠频域分析法无法准确体现其存在的问题，在此背景下时频域分析法应运而生。顾名思义，时频域分析法能够同时获得振动信号的时域特征和频域特征，且即便振动信号不够平稳时常发生变动也能够进行准确测量。当前较常见的时频域分析法包括短时傅里叶变换和小波变换等。
　　2.3 国外风机齿轮箱故障诊断方法研究现状
　　相对于国内，国外学者对于风机齿轮箱故障的研究起步更早，早在上世纪八十年代，人们就已经研究出方法——通过对齿轮啮合振动信号的振幅和相位调节对齿轮箱中齿轮存在的故障进行分析。上世纪九十年代，技术人员提出可以运用神经网络等方法实现对齿轮箱存在故障的诊断，几年后，一个用于风机异常诊断的智能故障检测系统框架被提出，这个框架被成功的安装在风机系统的微处理器上和风机外部的PC端上。近年来，科学人员又研究出一套风机齿轮箱智能预测系统维护软件构架，通过这个智能构架，人们能够对风机进行实时监控，一旦风机出现问题便能在第一时间得以发现，并作出及时的补救。
　　3 风机齿轮箱故障预警方法研究
　　3.1 仿真分析预测法
　　近年来，随着风机系统的不断发展，其内部复杂程度也越来越大，设计并成功制造一台风机齿轮箱，需要耗费大量的时间和资源，因此从根本上提升风机齿轮箱的建造质量，增强风机齿轮箱的安全可靠性已经变得越来越重要，在此背景下，仿真预测分析齿轮箱的故障受到学者和技术人员的广泛重视。运用仿真技术，技术人员设计出了能够对传动的齿轮机振动情况进行观察、记录、分析的观测器，观测器的运用对齿轮箱的故障分析起到了一定的指导作用。
　　齒轮失效最为典型的形式包括点蚀、弯断、胶合和磨损，这些失效故障最主要的问题就是齿轮机中的润滑系统存在问题，因此对于这类故障可以对齿轮箱的润滑系统进行仿真模拟，通过模拟实验可以得出结论当风机齿轮箱存在故障的情况下，齿轮箱的漏油情况与风机传动系统疏忽效率成反比，因此等风机齿轮箱出现此类故障隐患时，该模型就能出现相应的反馈，从而达到良好的故障预测效果。
　　3.2 油品性能检测预测法
　　系统润滑不良是导致风机齿轮箱出现故障的主要原因，如果润滑油品质性能不符合要求，在运行过程中就会导致材料发生剧烈磨损，因此技术人员如果能对齿轮磨损程度以及润滑质量进行检测，就能够在很大程度上提升风机齿轮的安全性和可靠性。现阶段，我国国内对风机齿轮润滑油的检测还停留在实验室内，技术操作人员每经过一段时间便对润滑油进行一次抽样分析，检测过程包括对润滑油油品质量的检测和对齿轮机磨损程度的检测。根据实际经验可知如果润滑油中掺杂过多的水分，会使油液内的油泥变多，降低润滑油的润滑效果，从量化方面举例分析，当润滑油中的水分含量超过0.1%时，油液便会发生变化，当润滑油中的水分含量超过0.4%时，就会严重影响油液的润滑效果，进而导致齿轮或者轴承因过度摩擦产生不必要的磨损。另外，润滑油的粘度和总酸值也对润滑油的润滑效果有绝对的影响，如果润滑油的粘度变化范围过大，超出规定范围时，润滑油就会发生氧化反应，油品质量受到严重影响，如果润滑油的总酸值过大，齿轮的腐蚀磨损也会变大，使齿轮和轴承产生额外磨损。针对这种情况，可以对润滑油中的金属磨粒进行检测和分析，进而掌握轴承和齿轮的磨损情况。例如可以采用SEM/EDX等分析方法对润滑油中颗粒的污染程度和磨损程度进行分析，通过分析结果得出待检齿轮发生故障的原因和程度。相对于离线检测法，油液还可以进行在线实时检测，在线监测法一方面能够对油液的质量进行随时分析，及时发现油液存在的隐患，还能对油液中携带物的状态进行随时监测，进而分析出齿轮箱中关键部件的磨损状况，换句话说油液的在线监测能够将传统的设备事后维修转化为事前预防。
　　4 结束语
　　相对于国外来说，我国风电机组油液故障监测系统起步较晚，还存在监测准确度不够精确、可靠性差，监测数据无法完全解读等问题。因此深入对油液监测系统的研究，运用科学智能的方法增强监测系统的有效性是未来油品在线监测的主要发展方向。
　　参考文献：
　　[1]陈园艺.风电机组齿轮故障诊断预警分析[D].华北电力大学，2017.
　　[2]张欣欣.风力发电机齿轮箱故障预警方法研究[D].燕山大学，2017.
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