振动监测技术在风电机组齿轮箱故障诊断中的应用

赵万东

摘要：振动检测技术的形成，在风力发电中起到至关重要的作用。这套系统由本机监测、风场集中监测、以及远程监测三个方面所形成的。本机是通过采集系统的各个零部件所发出的工作信号来监测的，然后通过系统将收集的信息发送到场地集中检测中心。在场地检测中心系统完成信息储存，显示分析完成本机状况后再将信息传送到远程终端，从而实现风电场的群体化管理，以及本机的故障分析和设备检修等问题。

关键词：检测技术;故障诊断;如何应用

前言：振动监测是齿轮箱的最初故障检测必备的一项重要监测方式。风电在全球正在飞速的发展，对于国内而言，风电设备正在成倍不断地增长着。运行安全问题也在行业内逐步的得到完善。齿轮传动机组是风动电机的重要组成部分，与传统的齿轮传动机组比较风电机组的增速齿轮箱有着传动功率大，载荷繁琐，运行工况良好等特点。

一、什么是检测系统

由于受到设计条件的限制，尤其是传动轴的载荷状态、结构动力学的特性研究不足等原因，齿轮箱的实际寿命与实际使用寿命有着很大差异。为此，齿轮箱成为风电机组中故障率较高，造成发电量损失较大的部件之一。因此，将振动监测技术应用在齿轮传动设备的运行监测以及故障诊断方面。当零部件发生变化时，部件发生剧烈的变化，结构振动也将发生相对的变化。运用传感器对齿轮箱体进行监测，提取故障中的信号特征，可以提早现故障，并且对故障的部位以及受损程度、故障的发展做出准确的分析，为维护设备的安全运行，有效的安排维护以及保养等有效信息。

二、系统的组成及其作用

1、风电机组的基本组成

风电机组传动系统振动监测及故障诊断系统由三个方面组成。本机监测模块、风电场集中检测系统、以及远程诊断检测中心等组成。本机监测模块是安装在机体内部的一个监测系统，是为了完成机体的信号采集所设置的一个模块。本机监测模块采集信号以后会将信息发送到风电场集中检测诊断系统。风电场集中检测诊断系统会对机组信息进行储存，并且显示分析故障原因。为此，就可以通过互联网远程监测诊断中心进行互联，实现远程精细化管理。

2、本机监测系统

每一台风电机组都会有一套本机监测模块，本机检测模块其主要作用就是完成传动系统的振动，并且将信号进行采集传输。

传感器信号通过电缆输入到检测当中，使用软件操控实现瞬时信号采集，并且分析，通过网络将信号传输到风电场集中检测系统当中。通常情况下，监测模块有两种模式可以选择：多通道模块，可以同时采集多条瞬变振动信号以及其他的缓慢信号;单通道模块：只有一条输入通道，可以根据需要组合成多条通道的检测模块。

监测模块每一套通道都有着一定的动态范围，一般情况下动态范围会大于60dB;每个通道都会有模拟信号放大，以及抗击混波等功能。放大的倍数和低通滤波在一定的范围是可调的。

由于齿轮箱的振动性比较复杂，仅仅依据其特征是无法进行做出准确的故障诊断的，必须要通过振动信号的更深入的分析，这样才可以查找到最早的故障特征，才能精准的诊断故障，只有这样才会达到预测的目的。

3、风电场集中监测系统

集中监测系统是通过检测模块传输的信号信息来进行保存以及分析的一个程序，其中包括如下几点：

数据的传送以及管理。通过本机检测模块以无线网络或者定期传输等方式进行信号的传送储存，进而形成一个数据库，将信息统一管理，然后通过光纤网络与远程监控中心进行沟通。

监测与显示。通常会以图形变换、数据报表、以及曲线图等方式对数据进行监测，可以选择显示机组的信号变化，通过趋势、波形、以及图形的差异来判断故障是否存在。

对接受的信号进行分析。对于波形以及特征等问题进行提取，将信号概率进行分布，以及分析;将振动信号频率和功率方面进行分析，对齿轮和滚动轴承一些高级信号进行分析，其中包括时频分析，小波分析，经验模式分析，以及独立成分分析等等。

故障诊断功能。系统中含有故障诊断库，可以对故障进行自动识取，大大的提高了故障诊断的识别性以及诊断的可靠性，实现了故障诊断的压缩提取以及故障模式的识别。可以得出故障诊断的可信程度，使诊断结果具有依据，并且会给出合理的处理意见，从而提高了设备检修的便捷。

4、远程监控中心

通过网络将每个风电场的集中监测系统整合为一个整体，集中检测系统通过服务器将数据定时定向的发送至检测中心当中，远程中心可以随时随地对设备的状况进行监测，可以更好的了解设备的运行状况，对有异常情况的机组进行故障筛查。要知道齿轮变速箱的准确故障，就要通过多种渠道对设备进行综合的筛查分析，通过网络对设备进行振动数据的提取，检测设备的运行状况，这样可以及时的发现设备的异常，并及时的上报与检修。

二、实际操作的应验

在风电场安装研发的系统，将风电机组的信号进行采集，然后传送到集控中心，集控中心对采集的信息做详细的测试与验证。在验证的过程中，可以选用两台机组进行对比测试，一台机器为正常状态（称其为A机组），另一台机组齿轮箱轮轴存在故障（称其为B机组），所监测的风电机组为 1 500 kW 变速恒频双馈机组，投入运行时间2 a左右。该机组的风轮主轴采用前后轴承支撑结构，齿轮箱为 2 级行星+1 级平行轴结构。振动传感器分别安装在主轴轴承座、齿轮箱和发电机组座上。

首先要登陆系统，进入系统以后，即可看到本次的登录用户，进入系统以后，首先要对风场进行配置。在完成设置后要进行对数据的监测，在机组节点中选中机组的总貌图展示了机组实时测量数据及报警状态。总貌图是在服务器端使用总貌图配置工具配置的。總貌图的特征值也是使用总貌图配置工具添加的标签组。特征值采集，是用于表现机组实时运行状态的属性。此处的特征值根据系统配置—报警定义配置里设置的注意、危险值来报警。趋势分析，是查询该机组所有测量位置下特征值数据的历史趋势图。查询条件中，工况默认为全部。采集单元监测，是用来展示采集单元采集数据以及采集设备是否正常。

通过振动监测系统的实际操作得出：

1、此套系统是通过监测以及分析振动信号对传动系统以及故障特点进行分析以及维护的，可以高效的识别细小的故障信息，能够满足风电机组的传动系统状态检测以及故障诊断等要求。此套系统可以在硬件上实现信号采集以及传输，通过数据调整可以选择最优质的采集方式，大大提高了采集数据的重要性以及分析数据的快捷能力。

2、风电机组齿轮箱一般会呈现典型的旋转机械特征。振动信号中转轴的旋转频率与齿轮的啮合频率以及波动成分会十分的明显，这些成分的强度会随着转速的变化发生变化。这种信号特征会将信号提取带来一定的困难。

结语：

经过对风电机组齿轮箱故障的研究，通过传感器采集不同情况下的信号，对振动信号进行分析，可以准确的分析出齿轮箱的故障频率，判断故障发生的位置。在故障诊断时相同型号的机组可以参考比较，另一台机组存在明显的调制现象时，表示该机组处于异常高速的状态，可能就存在着故障。

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