风力发电机转速对齿轮箱振动的影响规律研究

尚斌

（鲁能新能源（集团）有限公司河北分公司，河北 张家口 075000）

近些年伴随着新能源发电技术的不断发展，风力发电这一种环保、经济的清洁能源开发方式逐渐被世界各国所认可。近些年有多个研究发现，风电机组在20年的运行周期内维修成本占据整个生产效益的25%，其中传动链发生机械故障是导致风机被迫停机的主要因素。在风机当中齿轮箱属于主要的传动设备，所以对齿轮箱的工作状态进行实时监测是保障风机运行效益的关键。

1 风电机组转速监测规律

当前，最为普遍的齿轮箱状态监测一般是以振动信号为主，应用相应的处理方式对振动信号实行相应分析，从信号的时域、频谱当中寻找到关键的齿轮故障信号成分，并从中获得齿轮箱的故障类型。但是，应用基于振动信号的方式对风电齿轮箱实行相应的状态监测，可以基本明确两个方面的问题：一方面风电齿轮箱一般会涉及到行星轮系与定轴轮系，其均属于典型的复杂化齿轮传动系统，振动的信号成分相对于定轴齿轮箱更加繁琐；另一方面是根据振动信号的状态监测方式而言，一般都需要齿轮箱的转速相对保持稳定。但是风电机组因为会直接受到来自风速的影响，所以在变速转动工作情况下促使基于振动信号的状态监测方式实施难度比较高。为了更好的实现对风电机组的齿轮箱状态监测，有必要先分析转速波动并对风电机组的齿轮箱振动信号的规律，并借助相应的方式消除或降低转速波动对于整个振动过程的影响，进而将振动信号转变成可以应用于风机齿轮箱状态监测的数据信息。下面对多个风电机组的实际监测中所获取的数据进行总结分析，从而明确风电机组转速对于齿轮箱的振动信号影响规律。

2 风电机组监测数据的分析

（1）监测数据。下面以某风力发电厂的SL1500型号的风电机组主传动链的数据进行分析，其主要是由叶片、齿轮箱以及发电机等构成，其中齿轮箱的结构属于两级行星添加一级定轴，风机振动主要是以CSM在线监测系统进行数据储存，同时分布在密集储存区与稀疏储存区两个方面，密集储存区主要是以目前时刻向前推大约50d，这一区域的数据普遍间隔为3h45min，稀疏储存区主要是以密集储存区之前的所有历史记录，这一区域的数据间隔时间大约为1d。每一个测量点的采样频率均在转速达到25600Hz，在低转速时保持在2560Hz以上，数据的长度均以102400为标准，完成对所有数据的测量与储存工作。

风力发电厂的某台风机在运行过程中监测到齿轮箱存在故障，并选择这一风机正常运行时的一组振动信号以及故障运行时的一组振动信号，同时对两个信号以时域波的方式表现出的数据，其分别为图1与图2。通过图1与图2的对比可以基本明确，齿轮箱在正常运行过程中振动信号的幅度并不大，但是在齿轮箱发生故障的情况下，振动信号的幅度有明显的提升，同时信号当中会存在比较突出的周期性调制成分。

图1

图2

针对上述数据，为了更好的明确齿轮箱振动信号在整个使用周期当中的变化状况，提取出关于振动信号的有效值数据，同时以时域波形图方式表现出来，最终发现有效值在整个寿命周期中会呈现出不断上升的状态，因为风电机组的转速会存在实时性的波动，整个周期内的所有有效值会表现出比较突出的波动性，这对于风机的状态监测以及衰退的趋势影响也比较突出。对此，需要不断的深入探讨转速对于振动信号的影响规律，并且需要采取针对性措施降低转速对于振动的相应影响。

（2）降低转速的影响。按照上述所获得的数据进行分析，应用下列的转化公式对振动的信号有效值进行相应的分析处理，并降低转速波动对振动信号的有效性影响分析，风机额定的转速普遍属于最大的转速，并将风机在任意转速之下的有效值转化为额定转速之下的有效值相当量，并最终获得某时刻振动信号的有效值=有效值×风机额定转速/某时刻风机的转速。因为本次研究所选的风机额定转速为1800r/min，通过对故障机组在使用寿命当中的有效值进行转化，转化完成后的有效值当量结果详情见图3。从中可以发现有效值的当量提升趋势更加突出，局部波动有明显的缓解，同时可以有效的表现出齿轮箱的健康状态，并为齿轮箱的状态监测提供有效的数据指标。

图3 齿轮箱寿命周期内振动信号有效值变化趋势

3 风力发电机齿轮箱传动系统的振动问题

在风力发电机组当中齿轮箱属于关键性的设备部件，同时也是故障发生率最高、经济效益影响最为突出的部件。齿轮箱的故障具备维修难度高、时间消耗大、费用成本高等特征，一旦发生问题，必然会对整个风电场形成直接经济影响。对此，有必要提升齿轮箱的工作可靠性，提高整个发电机组的工作稳定性，并保持风电机组的工作效益。风电机组的齿轮箱动态特性的研究对于提升整个风力发电机组系统的稳定性、安全性有着重要的意义和价值。对于本次研究所选择的风力发电机组的齿轮箱而言，应用数值模拟的方式研究传统系统的轴系在扭转振动方面的特点，然后为风力发电机组在齿轮箱方面的设计提供相应的数据支撑。

通过多方面研究，最终总结出下列几点结论：第一，风电机组的齿轮箱轴系运行的规律特点，可以将整个行星轴系简化成为多个借助无质量弹簧连接的刚性圆盘，并提出关于传递矩阵与点传递矩阵的表现方式，将所有轴系的运行制作成为一个等效的成为制定轴系的运动，从而提出关于风电机组的齿轮箱星轮轴系扭转振动的传递矩阵模型。第二，应用SilidWorks的方式构建关于行星架的三维模型，同时在导入ANSYS软件的网格划分后，所获得的行星架有限元的分析模型，计算出行星架的扭转刚度以及等效的转动惯量，并分析总结单元数目对于等效扭转刚度与转动惯量的针对性规律分析，应用MATLAB软件实现对风电机组齿轮箱轴系扭转振动的特性分析，并借助对简单轴系与部分复杂轴系的传动系统扭转振动特性验证整个程序的准确性。第三，按照所需要的参数进行设计，构建关于风力发电机组的齿轮性传统系统模型，同时应用编制的AMTLAB程序对齿轮箱的模型实行扭转振动特性的分析，计算传统系统所具备的频率和主振型，总结关于行星架壁厚对于系统的固有频率的影响，从而降低这一影响。通过单独分析系统低速轴所具备的固有特性，提升行星架壁厚对于风电机组齿轮箱的固有特性影响。国外有研究者对于行星齿轮传动系统进行了大量的研究，对于不同的激励齿轮动态特性的研究方式，构建单级的行星齿轮传动系统线性纯扭转模型，研究应用不同齿形的星星传动系统动态特性的分析，构建了涉及制造误差的非线性动力学模型，这一个模型可以有效的预测出因为制造误差而导致的质边频带。另外，还有研究借助建立行星齿轮传动系统的有限元、应力动力学模型等分析行星齿轮的动力响应特性。通过分析发现，齿轮箱当中的齿侧间隙会导致齿轮之间发生冲击，并形成噪音，从而影响齿轮箱的使用寿命，对于齿轮的动态化特性和荷载特性会形成直接性的负面影响。但是借助建立包含侧齿间隙的风力机行星传动系统的平移、扭转耦合振动动力学的方程，可以应用相应算法对系统的微分方程进行分析，从而明确影响振动的主要因素，明确转速对于齿轮箱振动的影响规律，为后续的参数设计与结构优化提供数据支撑。

4 结语

综上所述，本文简要分析了风力发电机转速对齿轮箱振动的影响规律，基本明确了风电机组的齿轮箱振动信号与转速信号之间的关系，基本解释了关于振动信号和转速信号之间所存在的线性关系，同时总结了关于任意转速之下振动信号的健康指标转化为额定转速，降低转速波动对于振动信号的影响。在实际工作中可以基于本次研究所获得的结论，继续对风电机组的齿轮箱健康状态进行针对性的研究，力求齿轮箱健康状态的实时监测与故障的自动化识别目标的实现。