风力发电机转速对齿轮箱振动的影响规律研究

王天品，孔德同，刘庆超

（1.华电福新能源股份有限公司云南分公司，昆明 650228；2.华电电力科学研究院，杭州 310030）

风力发电机转速对齿轮箱振动的影响规律研究

王天品1，孔德同2，刘庆超2

（1.华电福新能源股份有限公司云南分公司，昆明 650228；2.华电电力科学研究院，杭州 310030）

齿轮箱是风电机组的主要传动装置，齿轮箱状态监测对保障风电机组安全运行至关重要。风电机组受风速波动影响较大，其转速实时变动，增加了齿轮箱状态监测的难度。通过分析某风电场两台运行机组齿轮箱的振动信号，揭示了齿轮箱振动信号与转速之间的线性关系，提出将任意转速下的振动信号有效值转化到额定转速下的措施，有效降低了转速对振动信号的影响，提高了监测指标的趋势性，可为齿轮箱的状态监测提供有效的监测指标。

风电机组；齿轮箱；状态监测；振动信号；转速

0 引言

近年来，风力发电以其经济环保等优势在世界各国得到迅速发展［1］，然而调查发现，风电机组在整个寿命期内的维修成本占其总生产效益的10%～25%［2］，其中主传动链机械故障是造成风机停机的主要原因。齿轮箱是风电机组主要的传动部件，齿轮箱状态监测对于保障风电机组安全运行至关重要。

目前，常用的齿轮状态监测方法大都基于振动信号［3-6］，采用一定的处理方法对振动信号进行分析，从信号时域和频谱中寻找能够反映齿轮故障信息的信号成分，从而推断齿轮箱的故障类型。但是，采用基于振动信号的方法对风电齿轮箱进行状态监测时存在两个问题：（1）风电齿轮箱通常包含行星轮系和定轴轮系，是典型的复杂齿轮传动系统，振动信号成分比定轴齿轮箱更复杂［7-8］；（2）基于振动信号的状态监测方法往往要求齿轮箱转速相对稳定，但是风电机组受风速波动影响较大，通常在变转速工况下运行，使得基于振动信号的状态监测方法无计可施。

由于以上两个问题的存在，大大降低了基于振动信号的状态监测方法对风电机组齿轮箱状态监测的有效性。为了实现对风电机组齿轮箱的状态监测，必须首先分析转速波动对风电机组齿轮箱振动信号的影响规律，并设法消除或降低转速波动对振动信号的影响，从而可以将振动信号分析成功引入到风机齿轮箱状态监测领域。

本文对多台风电机组实际监测数据进行分析，寻找风电机组转速对齿轮箱振动信号的影响规律。

1 风电机组监测数据介绍

某风电场SL1500型号风电机组主传动链由叶片、齿轮箱、发电机等组成，其中齿轮箱结构为两级行星加一级定轴，如图1所示。风机振动在线监测系统（CMS）存储数据分为密集存储区和稀疏存储区两部分：密集存储区为当前时刻前推大约50 d，该区数据间隔大约为3 h45min；稀疏存储区为密集存储区前的所有历史时期，该区数据间隔大约为1 d。每个测点采样频率在高转速时为25600Hz，在低转速时为2 560Hz，数据长度统一为102 400，同时测量并存储每组数据的转速信息。

图1 某风电场SL1500风力发电机组主传动链

风电场某台风机运行过程中监测到齿轮箱故障，选取该风机正常运行时期的一组振动信号和故障运行时期的一组振动信号，其时域波形分别如图2a和图2b所示。可以看出，齿轮箱正常运行期间振动信号幅值较低，当齿轮箱出现故障时，振动信号幅值明显增大，并且信号中出现明显的周期性调制成分。

为进一步分析齿轮箱振动信号在全寿命期内的变化趋势，提取振动信号的有效值，如图3所示。由图3可以看出，有效值在全寿命期内呈现不断增长的趋势，由于风电机组转速的实时波动，全寿命期内的有效值也表现出了很强的波动性，这对于风机状态监测和衰退趋势分析极其不利，因此，需要深入分析转速对振动信号的影响规律，并设法消除转速对振动的影响。

图2 振动信号

图3 齿轮箱振动信号全寿命期内有效值变化趋势

2 相关性分析

为分析转速与齿轮箱振动信号的相关性，采用风电场另外两台运行机组的振动信号，从中提取振动信号的有效值及相应时刻的转速信号。两台机组的振动信号有效值和对应转速信号分别如图4a，4b和图5a，5b所示。可以看出，振动信号有效值与电机转速之间具有明显的相关性，转速较大时有效值会相应升高，转速较小时有效值也会相应降低。

为进一步分析有效值与转速之间的关系，绘制振动信号有效值与转速的关系曲线。两组机组的有效值-转速关系曲线分别如图4c和图5c所示。从振动信号有效值-转速曲线可以看出，振动信号有效值与转速之间存在较强的线性关系，随着转速的升高，有效值不断增大，而且波动性也明显增强。该规律可以为后续研究如何消除转速对振动信号的影响提供理论依据。

3 消除转速影响

根据以上分析，采用以下转化公式对振动信号有效值进行处理，降低转速波动对振动信号有效值的影响。风机额定转速一般为其最大转速，将风机任意转速下有效值转化为额定转速下的有效值当量。

式中：yt为t时刻振动信号有效值；nr为风机额定转速，该组风机nr=1 800 r／min；nt为t时刻电机转速。

图4 机组1相关性分析

图5 机组2相关性分析

采用公式（1）对图3中故障机组全寿命期内有效值进行转化，转化后的有效值当量结果如图6所示。相比于图3，图6中有效值当量增长趋势更加明显，局部波动有所消除，能够更好地反映齿轮箱健康状况的衰退趋势，为齿轮箱状态监测提供有效的监测指标。

图6 齿轮箱全寿命期内振动信号有效值当量变化趋势

4 结束语

本文对风电机组齿轮箱振动信号和转速信号进行分析，揭示了振动信号与转速信号之间的线性关系。将任意转速下的振动信号健康指标转化到额定转速下，降低转速波动对振动信号的影响，消除健康指标的局部波动，可以更好地反映齿轮箱健康状态的变化。

笔者将在本文研究工作的基础上，继续对风电机组齿轮箱健康状态监测方法进行研究，实现对齿轮箱健康状态的有效监测和故障的自动识别。

［1］World Wind Energy Association.The world wind energy association：2014 half-year report［R／OL］.http：／／www.wwindea.org／webimages／WWEA_half_year_report_2014.pdf.

［2］LU B，LIY，WU X，et al.A review of recent advances in wind turbine conditionmonitoring and fault diagnosis［C］／／Power Electronics and Machines in Wind Applications.2009：1-7.

［3］张小丽，陈雪峰，李兵，等.机械重大装备寿命预测综述［J］.机械工程学报，2011，47（11）：100-116.

［4］任玉亭.振动监测技术在风力发电机组的应用［J］.内蒙古电力技术，2010，28（2）：8-12.

［5］盛兆顺，尹琦岭.设备状态监测与故障诊断技术及应用［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［6］丁康，朱小勇.齿轮及齿轮故障诊断实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［7］雷亚国，何正嘉，林京，等.行星齿轮箱故障诊断技术的研究进展［J］.机械工程学报，2011，47（19）：59-67.

［8］窦慧，原培新.故障诊断中的振动信号处理［M］.北京：冶金工业出版社，1989.

（本文责编：刘芳）

TH 113.21

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1674-1951（2016）12-0067-03

王天品（1971—），男，云南东川人，高级工程师，从事新能源安全生产管理工作（E-mail：xjtp51＠126.com）。

2016-06-30；

2016-10-18