基于有限元的风力发电机组传动齿轮故障振动分析

陈 静

(长春理工大学光电信息学院，吉林 长春 130012)

基于有限元的风力发电机组传动齿轮故障振动分析

陈 静

(长春理工大学光电信息学院，吉林 长春 130012)

为了增进对风力发电机组传动齿轮故障情况的了解，掌握振动故障特性，不断提高发电机组齿轮工作效率，充分发挥有限元理论、齿轮啮合理论、振动力学作用，构建圆柱齿轮传动有限元模型，通过对风力发电机组传动齿轮振动频率和变形情况的模拟计算，进一步阐述了齿轮故障情况变化以及正常运作变化，掌握齿轮故障振动特性，奠定扎实的风力发电机组齿轮箱故障诊断理论基础。

风力发电机组；传动齿轮；故障；振动

1 风力发电机组齿轮箱故障

齿轮是风力发电机齿轮箱故障发生几率最高的部件，严重时还会造成发电机组故障或停机。风力发电机组主要由齿轮箱、离合器及紧急情况下的复位刹车系统构成。利用齿轮箱可提高风轮的转速，其中水平轴采用了行星齿轮传动及平行轴齿轮传动两种转动方式。根据传动级数又可将其划分为多级齿轮箱、单级齿轮箱。风力发电机组必须要充分发挥齿轮箱机械性能，保证齿轮箱的正常稳定运行，做好振动防护准备。齿轮箱损坏率高的风场损坏率可达50%。

常见的齿轮箱故障包括轴承损坏、油温过高、轮齿折断、齿根断裂等，其中以齿面疲劳故障和轮齿折断发生概率最大。随着风电机组的逐步扩容，轮毅高度不断增加，风力发电机组齿轮箱受力情况越发复杂。由于齿轮箱存在一定的设计缺陷，受风场极端气温、润滑等因素影响，都可能引发故障。复杂地形引发的气流变动都可能造成齿轮箱交变荷载故障，造成难以估量的损失。

2 构建圆柱传动齿轮有限元模型

2.1 有限元风力发电机组计算软件

有限元软件中普遍会应用到ANSYS技术，该软件是计算机技术发展的有效方法。基于有限元模型建立的有限元分析，首先要明确分析对象，了解分析对象的物理系统特征，掌握分析的关键点。

2.2 有限元模型建立过程

通过这一研究对象实际研究情况分析来看，利用ANSYS软件建立有限元模型，需要设定分析范畴，了解分析内容，了解材料性能参数，定义模型单元类型，构建几何模型，进行有限元网格划分。有限元齿轮模型划分有限元网格，出于对齿轮精度要求和复杂程度考虑，建立相应的有限元齿轮故障。

3 预应力模态分析

与静止的啮合齿轮相比，高速转动啮合齿轮的固有频率会发生一定的变化。充分利用ANSYS预应力结构模态故障分析法，以输入功率为600 kW的风力发电机组，它的齿轮箱增速比45.03，齿轮箱转速33.5 r/min，这样就可以得出结构分析，有效提高啮合齿轮转速，并以相同或不同材料下的模态分析计算，增进对有效元模型构成的了解。

预应力模态须要进行深入的结构分析，并进一步求出载荷应力和刚度阵的影响。预应力传动齿轮结构分析过程总结如下：对分析实例施加载荷、定义边界条件。求解选项设置、考虑预应力静力分析边界条件定义。考虑预应力结构进行求解分析。预应力模态分析需要在结构分析完成后进行结果处理。通常可采用时间后处理器和一般后处理器的方式观察求解结果和处理结果。高速旋转传动齿轮的齿轮应力微小，并不会造成齿轮位移和变形。总地分析来看，结构分析和模态分析约束条件基本相同，这也是结构分析定义转速时常被忽略的主要原因。

对传动齿轮前20阶固有频率进行计算，得出载荷频率范围，并进一步选取菜单路，进行传动齿轮固有频率求解，通过计算得出圆柱齿轮各阶固有频率，并利用有限元分析软件查看各阶模态和振动情况。

通过风力发电机齿轮箱实际案例的模态扩展设置，实现了对每阶固有频率求解，求得相应模态振型，合理选择菜单路径，根据系统自动弹出的彩色对话框选择相应选项，综合利用选定模态进行各种结果的观察。低阶刚体啮合齿轮振动打破了齿轮运转平衡，造成齿轮运转过程中的剧烈振动，尤其是弯曲振动和扭曲振动最易引发齿轮连接部件破坏，形成结构辐射噪音。齿轮形状受振动频率影响较大，振动频率越大，变形越加严重，与之相对应的机械振动基本量也会随着频率变化而变化。

根据ANSYS模态分析，圆柱齿轮受固有频率振动影响下会发生一定的形状变形和位移进而产生等效应力，具体情况如图。因此，有必要深入了解齿轮正常频率变形情况，掌握传动齿轮正常和非正常情况下的形状和位移情况，做好相应的防范措施，保证齿轮的正常运转。而当齿轮故障发生时，齿轮形状和传动齿轮轮齿就会发生一定的变化，齿轮故障振动等效应力列示如图所示：

图1 圆柱齿轮正常工作频率下模态振型Fig.1 Modal vibration mode of cylindrical gear at normal operating frequency

图2 圆柱齿轮故障时振动等效应力图Fig.2 Vibration equivalent stress diagram of cylindrical gear failure

通过两图对比可以看出，圆柱齿轮故障时传动齿轮产生了变形，且大齿轮发生了较为明显的扭曲，大齿轮与小齿轮啮合部分发生了一定的内向扭曲，轮齿存在一定的偏移，啮合齿轮完全不在统一平面上。齿轮故障时受振动冲击影响，齿面疲劳度增加，造成齿轮变形、位移，影响齿轮寿命和正常使用，引发故障。结合实际情况可知，大齿轮振动以弯扭振动为主，而小齿轮以转动主振动为主。按照颜色的不同在图中代表不同应力值，由于啮合处轮齿齿根受力最大，也是最易磨损部位，这也是故障易发频发部位，相对而言齿轮中心节点是最小受力部位。

由上图可知，不同故障类型基本上是可以从齿轮振动频率信号判断出来的，齿轮箱运行过程中会产生多种机械振动，但是故障下的振动与正常振动有着极为显著的区别，振动信号也多有不同。技术人员有必要加深对振动信号的掌握和了解，提升故障的预防和防范技术水平。采用有限元分析方法进行的风力发电机组齿轮箱圆柱齿轮预应力模态分析得出，前20阶相应振型和固有频率接近实际，是目前齿轮故障振动模态分析中较为准确的一种分析方法，该方法用在齿轮工作状况判断和检测，有效保证了齿轮振动信息的及时准确，为齿轮箱故障诊断奠定扎实的理论依据。

4 结语

基于有限元的风力发电机组传动齿轮故障振动分析计算结果准确性较高，有着一定的实际意义，可以用于齿轮故障振动研究，这也是目前最为有效的齿轮故障诊断办法。应当充分利用有限元理论和模型有效性，深入掌握齿轮箱故障问题，做好相应的技术准备和故障防范工作。

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Fault analysis of transmission gear fault of wind turbine based on finite element

CHEN Jing

(College of Optoelectronic Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130012, China)

In order to improve the understanding of the fault condition of the transmission gear of the wind turbine, master the vibration failure characteristic, and constantly improve the working efficiency of the generator gear, give full play to the finite element theory, the gear meshing theory and the vibration mechanics, construct the cylindrical gear transmission finite element model. The gear fault condition and the normal operation change are described, the characteristics of the gear fault vibration are grasped, and the theoretical basis of the fault diagnosis of the wind turbine is established based on the simulation of the vibration frequency and deformation of the gears of the wind turbine.

Wind turbine; Transmission gear; Fault; Vibration

2017-04-21

陈静(1984-)，女，硕士研究生。

TM315

B

1674-8646(2017)13-0023-02