齿轮箱中齿轮故障的振动分析与诊断

齿轮箱中齿轮故障的振动分析与诊断

王丽,李雅君

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摘要：齿轮箱常见的失效类型为齿轮箱，所以定期监控其工作状况，以减少故障率，提供预测型的检修计划。应用结果显示，该技术能够对变速箱进行有效的判断，并能正确地判断出变速箱的故障部位和严重性，从而为船员制定相应的检修计划，降低无用维护费用，防止机械和机械的非计划停运。

关键词：风力发电机组；齿轮箱；故障诊断

引言：

在回转机构中，最常见的是齿轮，它的工作状态对整个机器的工作情况有很大的影响。齿面磨损、表面接触疲劳、齿面塑性、齿面弯曲和齿面折断等是常见的失效类型。

一、齿轮箱故障诊断的意义

在风力发电机组中，齿轮箱作为重要传动设备，为风能转化为电能提供源源不断的动力，发挥着十分重要的功能。风力发电机组中的齿轮箱，不仅体积、质量较大，而且结构十分复杂，这也导致在发电机组运转过程中，齿轮箱容易发生各种故障，进而使发电机组的运行受到较大影响，甚至蒙受重大损失。

近年来，陆续爆发出多起因为齿轮箱故障而导致风力发电机组停运的实践，不仅让发电机组受到极大影响，而且带来重大经济损失。所以说，对风力发电机组齿轮箱实施有效的故障诊断措施，从而尽发现问题，解决问题，保证其稳定性，不仅具有极大的经济意义，而且有很强的社会意义[1]。传统的齿轮箱故障诊断主要是通过人工方式实现的，通过人工巡检加定期维护的方式，排除齿轮箱故障。然而，这种模式，一方面带有很强的滞后性，通常都是齿轮箱发生故障以后，并且对发电机组造成影响之后，才能够去被动的应对，依然无法完全避免损失；另一方面，齿轮箱结构复杂，人工方式诊断故障，不仅准确率不高，而且耗费大量的时间和人力。因此，通过对齿轮箱实施在线监控，并通过监控数据对齿轮箱实施故障诊断，一旦发现异常立刻予以维护、维修，只有这样，才能够真正有效的预防齿轮箱故障，将隐患消除，从而最大程度降低对风力发电机组的影响。

二、齿轮箱故障诊断机理

实现齿轮箱的故障诊断，首先必须了解齿轮箱的故障机理，以此为基础选择合适的诊断技术，才能有有效保障故障诊断的及时性与准确性。通常来说，齿轮箱故障诊断通过一下三种方式实现。

（一）基于振动系统的故障诊断

就风力发电机组的齿轮箱整体来看，可见其看作一个振动系统。再这样一个振动系统中，振动包括两种，一种是常规振动，一种是分常规振动。对于常规振动来说，齿轮箱故障与误差并不对其产生影响；然而对于非常规振动来说，齿轮箱故障与误差必然会对其产生影响。这种影响，不仅与齿轮的故障函数有关，也与齿轮箱的综合刚度有光。由此我们了解，正常状态的齿轮箱与故障状态的齿轮箱会产生有着显著差异的两种振动。于是，基于这些参数，能够让我们对齿轮箱的状态做出精准诊断。

另外，在齿轮箱中，不同的齿轮也会发出不同的震动信号和噪声信号。需要特别指出的是，时域分析技术容易受到环境因素的干扰，产生一些复杂的波形，让故障分析难度加大；频域分析技术在这方面不受影响[2]。

（二）基于振动幅值调制的故障诊断

风力发电系统齿轮箱的变化会影响其振动幅值，所以导致了幅值调制，这样就能够通过幅值调制来诊断齿轮箱的故障。在此过程中，需要分析齿轮信号。详细来说，当齿轮载荷变化时，齿轮转速同样会发生变化，在振动上的表现为频率调制。一旦齿轮发生故障，就会产生频率调制，并且在频谱上将频率调制的结果显示出来，也就是边频信号。比如，架设齿轮副发生故障，产生了一定的初期磨损，在频谱上就会表现出于初期磨损相对于的特征频率，于是采用频率测试仪对特征频率展开检测，就能够对齿轮副的实际状态做出明确判断，确认齿轮副是否正常运转，以及产生故障的原因和故障类型。

（三）基于振动频谱的故障振动

作为一个振动系统，齿轮在运转过程中会产生振动频谱，通过对振动频谱的分析能够发现大量信息。在线监控的方式为，采集齿轮箱正常运转状况下的振动频谱作为基准，对齿轮箱运行所产生的实际频谱实施在线监测，通过二者之间的对比，从而来实现齿轮箱的故障诊断与检测。

三、齿轮箱常见故障类型

常见的齿轮箱故障，主要有以下三大类。第一种是由于齿轮箱润问题所引发的故障。齿轮箱的润滑出现问题，会直接损坏齿轮箱的轴承与齿面；导致润滑故障的主要原因包括：齿轮箱温度不够高使得润滑剂流动性欠佳，无法进入全部润滑部位；润滑剂自身散热功能不佳导致实效；齿轮箱滤芯堵塞造成润滑剂无法发挥作用。第二种是齿轮箱设计问题所引发的故障。我国风力发电起步较晚，相关技术不够成熟，齿轮机组的设计大多采用仿制的方式，这也使得齿轮箱的参数精度不够精准，导致齿轮箱的设计方面存在一定隐患[3]。

四、齿轮箱主要故障诊断技术

在风力发电机组齿轮箱的故障诊断中，最常用的两种方法分别为时域分析技术与频域分析技术。

（一）时域分析技术

时域分析技术就是通过分析齿轮箱的振动波形来诊断齿轮箱故障的技术，最常用的方法为信号分析法。通过对故障信号特征的识别和分析，在时域指标的基础上，定性分析故障信号，进而对齿轮设备的状态是否正常做出判断[4]。时域分析方法包括了幅域统计、概率密度统计等方法。

（二）频域分析技术

我们在前文中已经提到，时域分析技术容易受到环境因素的干扰，因此在一些时候分析齿轮箱故障会有较高难度。而频域分析技术则不会面这样的问题。齿轮箱一旦发生故障，就会改变振动信号频率，对此实施分析就能够对故障发生的位置、故障类型以及故障程度做出判断，这就是频域分析技术[5]。详细来说，频域分析技术就是使用傅里叶变化对振动时间波形做出分解，从而使得原本较为复杂的波形转化成为单一谐波。

五、小结

从本文的阐述可以看出，对于风力发电机组来说，齿轮箱一旦发生故障，会导致运行状态受到较大影响，并引发重大损失，因此必须对齿轮箱故障展开有效的在线监测和故障诊断，以尽早发现隐患，排除故障。本文首先阐述了研究齿轮箱故障诊断的意义和价值，然后就齿轮箱故障诊断原理展开了深入论述，最后简单介绍了两种常用的诊断技术，希望能够为及时、准确诊断齿轮箱故障，保证风力发电机组的稳定运行做出一定的贡献。

参考文献：

[1]严如强，钱宇宁，胡世杰，高晓旸.基于小波域平稳子空间分析的风力发电机齿轮箱故障诊断[J].机械工程学报，2014，（11）：9-16.

[2]陈文涛，谢志江，陈平.风力发电机组齿轮箱故障监测与诊断[J].机床与液压，2012，（03）：167-169.

[3]路宏，王文婷.风力发电机组齿轮箱的结构研究及故障分析[J].内蒙古石油化工，2011，（22）：16-18.

[4]杨明莉，刘三明，张卫，刘琦.基于振动分析的风力机齿轮箱故障诊断[J].电机与控制应用，2015，（01）：66-71.

[5]王德海，王晓莉.浅谈风力发电机组齿轮箱常见故障分析及检测方法[J].农业与技术，2015，35（21）：48-50.