张二辉 冉子硕 张文雄
摘要：近些年，为了解决能源供应紧张和环境问题，我国对新型清洁能源进行有效利用，提升清洁能源利用率是当前面临的一项挑战。无论是风力发电技术还是风力发电成本都有着较高的优势，因此发展速度较快。为了确保风电机组处于稳定且可靠的运行状态，防范因故障而造成不良的后果，就需要动态监控结构和重要部位的具体运行状态，全面识别风险。通过精准的分析，为后期风电机组齿轮系统状态监测工作高效率开展以及动力学建模提供可靠的依据。
关键词：风电机组；齿轮；故障；动力学
DOI：10.12433/zgkjtz.20240353
一、风力发电的优势
风力发电是利用风能的极佳方式。为了避免传统能源对自然环境产生不良影响，近些年，我国加大了对风力发展的重视程度。风力与其他类型的可再生资源相比，风力发电无论是技术成熟度还是成本控制以及基础设施建设都有着明显的优势，在未来能源结构中，风能将发挥出一定的优势。其中，有关于风力发电机根据风轮的结构以及从气流内的位置，可以划分为水平轴以及垂直轴风力发电，风速变化有着不稳定性现象，在风力机运行期间，要想提升转化风能的效率，必须采取完善的转速控制策略，让叶尖速比处于合理范围内，采取与之相符的控制方式，全面控制风轮的设计运行速度。当机组容量越大，叶轮直径越长，转速就越低。当前，应当做好齿轮增速箱运行状态的监测工作，提前预防故障的发生，促使风电机组稳定运行。
二、风力发电机齿轮箱故障诊断和状态识别方式
在齿轮啮合运动期间，轮齿载荷变化使振动信号发生明显变化。以往传统的故障诊断方式包括频谱分析、道谱分析、解调分析等。
第一，齿轮传动信号中的二阶合频率分量。对于载荷作用有着一定的敏感性，基于载荷的增加而逐渐上升，振动信号的有效值和峰值伴随着载荷的增大而垂直增大。
第二，轮齿载荷在旋转频率各项阶倍频影响下并不是特别明显。齿轮啮合引起的齿轮箱振动信号的振幅将会受到扭矩负载变化的影响和变化，决定了时间同步平均振动信号。结合变载荷情况下，齿轮箱振动信号的特征，对变载荷下齿轮箱故障诊断方式有效研究，利用风力发电机齿轮箱振动加速度时间同步平衡信号。动态性检验行星齿轮的轮齿断裂故障，同时将时间同步平均信号内频谱中的镍和频率，有效获取自动查询信号，对该项残余信号进行连续小波变换后提取的特征量，基于载荷情况下检验出早期断齿故障现象。
第三，将统计距离和相似概率当作齿轮破碎的指示量，能够指示出齿轮的破损程度。机组工况变化带来的信号总体能量差异产生的影响性非常小，应用振动信号的几项特征信息当成齿轮运行状态的特征向量，将齿轮运行状态和故障特征清楚体现出来。为了减少瞬变载荷对振动信号特征量产生的一系列影响，然后开展齿轮箱故障诊断，以此提升准确性。
本文探讨了风力发电机的齿轮传动信号建模方式。在分析啮合刚度计算方式的基础上，提升运算效率，以缩减计算时间为基本的目标，探究新的内外啮合刚度方式，比较各项构件的振动特征。受运行条件和安装位置等多项因素的影响，直接开展风电机组传动系统实验操作有着一定的难度，以系统各项固件存在的故障形式为主，探究参数变化，对于行星轮系固有特性产生的影响。箱体振动加速度信号有着能够体现齿轮系统运行状态的各项信息，不过传递过程十分复杂，因此该项信号和具体的齿轮传动信号之间关系比较繁琐。
三、风电机组齿轮传动行星轮系动态特征分析
齿轮系统的动态特性主要包含多个方面，分别是固有特性、动态激励作用之下系统的响应以及动力稳定性。在风力发电机齿轮传动系统运行过程中，行星轮系是非常重要的一方面，输入端和风轮主轴相互连接，外界随机变化风载荷对于输入转矩有着直接性的影响，但是由于结构的特殊性，动态特征和普通的平行轴齿轮系统相比极为复杂。精准地掌握风电机组行星轮系的动态特征，是分析整体齿轮传动系统振动特征的一项关键所在。
第一，创建行星齿轮系统等效分析模型。风力发电机传动系统内的行星轮系运行于低速状态下，轮系中各项中心构件质量较大，因此可能出现契合现象，对行星轮系载的平衡特征产生了一定的影响。同时，影响了系统的动态特性，安装位置和结构尺寸差数有着一定的特殊性，对风电机组中的行星轮系进行实验研究面临的难度极高。这就需要创建和系统相一致的等效模型，为优化设计以及分析传动系统提供保障。行星轮系的固有频率和阵型作为固有特征中不可缺少的一方面，也是系统的基本动态特征之一，结合行星齿轮系统的固有特征，对确定系统在外载荷作用之下的动态响应和振动模式有着极高的作用。
第二，在行星齿轮系统中，行星架和太阳轮是输入和输出的基本构件，行星架的质量是其他运动构件质量的数倍，振动水平直接影响整个系统振动情况。基于两种中心构件的振动模式下，行星架振动位移幅值和太阳轮振动位移幅值比。伴随着固有频率接触的增大，总体上呈现下降现象，这说明在低阶阵型中太阳轮和行星架的振动水平一致，行星架的振动对整体振动水平的影响完全不低于太阳轮。
第三，系统参数对行星轮系固有特征的影响。随机载荷、支撑条件和环境振动等各项因素对于风电机组齿轮箱具体工作有着直接性的影响。基于运行时间的延伸，某些组件完全脱离了理想的工作状态，整个系统的工作状态发生了改变。清楚了解各项参数变化对于系统固有特征产生的影响，可以为系统运行情况提供一定的参考。不过，从理论方面来看，利用解析的方式对该项问题加以分析有一定的难度。一是齿圈安装松动。内齿圈是固定的构件直接被安装在基座上，镜像和切向支承刚度较大，在齿圈发生松动现象以后，切向的支承刚度逐渐减小，齿圈切向刚度的减小对低阶中心构件扭转振动模式有着直接性的影响。二是行星架是齿轮传动系统的输出构件，主要经过联轴节和主轴相互连接，负责传递作用在风轮上的转矩。行星架径向刚度对于系统的扭转振动模式以及行星轮振动模式没有影响。行星架支撑高度变化之前和变化以后，各阶平移振动模式的中心构件振型幅值基本上是相同的。三是安装太阳轮浮动。对于行星齿轮系统，在重载工况下运行过程中，为了对均载特性有效改善，可以把太阳当成基本的浮动构件。实现太阳轮浮动包含诸多方式，不过在动力学分析过程中，具体结构形式并不是考虑的要点。由于安装方式不同，能够使太阳轮的径向支承刚度发生改变，与行星架支撑高度变化引起的系统固有频率变化规律相一致。太阳轮浮动安装对各阶扭转振动以及行星轮振动模式没有影响。
第四，系统中啮合刚度对行星轮系固有特征的影响。在行星轮系集中参数模型中，轮齿之间的啮合刚度为时间的函数。在探究支撑高度变化对系统固有特征影响时，主要是以等效的内外叶和刚度为主，从双齿和单齿啮合区域内外啮合刚度有着明显的变化。行星齿轮系统外啮合之间存在一定的相位差，因此在太阳轮和齿圈不为行星轮个数的整数倍时，各项齿轮之间的啮合状态变化程度难以保持一致性，这在一定程度上增加了系统固有特征的复杂程度。如果太阳轮和各项行星轮之间的啮合刚度产生相同变化以后，行星轮系的振动模式不发生变化，只有各项振动模式所对应的固有频率发生改变，镍和钢的均匀变化对三种振动模式的高阶固有频率影响程度特别大。然而，高阶固有频率与行星轮系工作频率有着一定的距离，结合模态叠加的基本原理对系统实际振动响应贡献较少。在各项星轮和太阳轮或者此圈内和刚度不完全相等的情况下，整个系统的对称性受到破坏，与各行星轮支承高度不完全相等的情况相似。
第五，对轮次的啮合力精准计算，是分析系统动载和可靠性振动等问题的一项基础工作。轮齿啮合力和箱体中测取的振动加速度信号有着密切的联系性，精准地掌握啮合力的变化形式和影响因素，是行星轮系动态特征分析的组成部分，按照行星轮系的结构特征，啮合力处于理想状态下均匀配置。在分析啮合力期间，动态载荷分配系数是反映出该项均载特征的基本指标。在稳定运行转速下，中心构件和各行星轮之间的载荷分配系数。如果系统内各项固件没有出现误差，处于良好的拟合状态，载荷分配系数的值呈现出周期性的波动各齿轮的载荷分配没有明显的不均匀性，在轮齿啮入啮出时会产生一定的黏合冲击力，增加了载荷分配系数。比较啮合刚度可以了解轮齿啮入对载荷分配系数有着直接性的影响。在与相位完全相同的情况下，各项行星轮的啮合状态一致。载荷分配系数保持相同的变化规律，而且齿轮啮入、啮出直接影响了载荷分配系数，处于相同的周期内，计算不同结构参数的行星轮系。现阶段，为了确保风轮夜间数比处于相应风速范围内的稳定性，提升风能的利用率，大部分大型风电机组运行于不同转速下。基于风轮转速的增大行星轮系的均载特性处于恶化状态，容易导致轮齿损伤。
四、风电机组多级齿轮系统的故障动力学特征分析
齿轮的制造和安装误差、齿面剥落、裂纹等多项故障有着密切联系。这是引起齿轮振动的主要来源，故障齿轮振动信号的频谱表现为以啮合频率和各次斜坡为中心的边频带群，动态性识别不同的边频带是齿轮故障诊断的要点。
（一）齿轮箱故障实验
在齿面磨损的情况下，加速度信号的时域曲线与方波相接近，频谱重合频率高，次谐波的幅值明显增大，接触越高，谐波增大的幅度越高。在主动轮轴弯曲变形的情况下，时域波形呈现出齿轮和频率和谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频以及倍频是调制频率的啮合频率调制现象，在频谱中啮合频率以及倍频附近形成幅值较小而且稀疏的边频带。
（二）齿轮偏心和齿轮啮合误差模型
1.行星轮系的综合啮合误差
轮齿的啮合误差是由齿轮加工和安装误差造成的，属于齿轮啮合中的动态激励与齿轮传动准确性，相对应齿轮精度标准中明确规定了三项精度硬件指标。其中，包含齿距的偏差、螺旋线总偏差等，精度标准中确定的指标主要是为了对齿轮的加工质量有效控制，同时提升测量的精准性。齿轮的加工误差是齿廓表面与理想齿廓位置相偏离形成的。在动力学研究过程中，应当考虑由加工误差引入的动态激励时，为了保持分析的普遍性，一般会绕开具体的精度误差，直接将实际的齿廓表面对理想齿廓表面的偏移当成轮齿的啮合误差。该项误差也可以当成是在完整轮廓沿着啮合线偏移的基础上叠加了齿廓自身的偏差。因此，将轮齿的啮合误差划分为面形误差和齿距误差。两个互相啮合齿轮的啮合误差曲线是单齿和误差曲线叠加以后的包络线。
2.分析形轮系中各项构件的偏心误差
加工设备自身有着一定的精度，受到加工条件和安装误差等一系列因素的影响，使齿轮具体的回转中心与几何中心相偏离，从而增加了齿轮偏心误差概率。从本质上来看，偏心误差是一种齿形误差，使齿轮啮合时具体的啮合齿廓与理想啮合齿廓相偏离。对此，应当重点考虑两项误差从动力学模型中的基本表达方式，两项误差对系统的作用处于独立性状态，偏心误差的存在对啮合刚度产生一定的调制作用。
（三）分析制造和安装误差影响之下的啮合力
内外激励向量决定了齿轮系统动力学微分方程组的特解，系统的啮合误差、安装偏差、支撑高度和行星轮的安装位置等多项参数决定了内激励向量的形式和数值大小、外激励向量和系统输入以及输出转矩有关。对传动系统进行状态检测和故障诊断的基础以及关键在于明确特征量，了解到特征量跟随系统中各项物理参数变化的基本规律。
（四）行星架转动对齿轮箱体振动信号产生的影响
对于行星轮系传动，箱体振动信号体现行星架的振动情况，普遍受到行星架转动的影响。这是行星轮系和定轴轮系轮箱体振动信号的基本区别。箱体振动信号是各项振源的振动，通过轴承等支撑构件的传递形成，传递过程对信号时频域有直接性的影响。
第一，风电齿轮箱中行星轮系的内齿圈和齿轮箱体固定在一起，作为固定的构件。齿轮传动信号的测量和轴承座以及箱体相比，直接从内齿圈外端安装加速度传感器，缩减振动信号传递的距离，避免信号衰减产生不良的影响，将反映齿轮的振动情况清楚地体现。
第二，对行星轮个数和齿轮齿数对箱体振动加速度的影响情况分析。当行星架存在制造误差的情况下，行星轮的安装位置也会发生偏差，该项误差直接影响了轮系的转动平稳性以及造成水平，同时决定了均载性能。
五、结语
基于风力发电机组新增装机容量的增长，其安装位置极为特殊，运行工况十分复杂，因此在传动系统中关键构件故障出现的概率较高，影响了风力发电技术经济性的体现。这就需要动态监控关键部件的运行状态，精准发现故障隐患，全面清除。
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作者简介：张二辉（1983），男，河北省蠡县人，硕士，高级工程师，研究方向为新能源发电行业运营管理。
