風電機組傳動鏈振動分析與故障特征提取方法研究

【摘要】：振動監(jiān)測是機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的主要技術之一,在許多工業(yè)行業(yè)得到廣泛應用。我國早期建設的風電場出于降低成本的考慮,一般不配備風電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)。隨著設備運行時間的不斷延續(xù),風電機組傳動鏈故障率及維修費用高的問題逐漸突出,風電企業(yè)開始重視風電機組的運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷,特別是國家能源局于2011年頒布的推薦性國家能源行業(yè)標準NB/T31004-2011《風力發(fā)電機組振動狀態(tài)監(jiān)測導則》,對于風電機組振動監(jiān)測與故障診斷技術的發(fā)展起到了有力的推動作用。 風電機組傳動鏈主要由傳動軸及支撐軸承、增速齒輪箱等旋轉部件組成,是連接風輪和發(fā)電機,實現能量轉換和傳遞過程的關鍵部件。與一般機械設備中的傳動鏈相比,風電機組傳動鏈的載荷狀態(tài)、運行工況、環(huán)境條件和結構布局等方面均比較復雜,導致傳動鏈中齒輪、軸承等主要零部件的故障機理和故障發(fā)展模式等存在特殊性,故障率高于其它行業(yè)的同類設備,實際使用壽命遠遠低于設計壽命。因此,針對風電傳動鏈的運行特點及其故障診斷的共性問題,研究新的理論和技術解決方法,提高故障診斷和預測準確性,對于保證風電機組設備的健康運行具有重要意義。 風電機組傳動鏈是機、電、液耦合的復雜結構,可能產生故障的部位多,從故障激勵源到振動監(jiān)測點經過不同傳遞途徑的衰減和混合作用,監(jiān)測到的振動信號往往是不同激勵源及傳遞途徑的復雜卷積混合作用,具有背景噪聲干擾大、非平穩(wěn)、非線性的特點,在許多實際場合,用經典的振動信號分析方法難以給出反映故障特征的準確信息,影響了對故障的精確分析診斷,更限制了自動故障診斷和預測技術的應用。因此,根據風電機組傳動鏈中齒輪箱和支撐軸承的特殊性,研究在經典振動信號分析方法的基礎上的改進方法,提高故障特征分析與提取功能和效果,是實現準確故障診斷的技術關鍵。本文在這樣的背景下,探討了對幾種經典振動信號分析的改進,并分別用雙饋式和直驅式風電機組傳動鏈的實測信號進行驗證。主要研究內容和形成的結論如下： (1)倒頻譜具有一個“同態(tài)濾波”的重要性質,可以實現卷積混合信號的分離。利用倒頻譜的同態(tài)濾波性質,提出一種提取齒輪箱故障特征的方法,由于監(jiān)測到的振動信號是激勵源與傳遞過程的結構固有振動的卷積結果,這兩種信號成分在倒頻域的特性存在明顯差別。據此,對齒輪箱振動信號在倒頻域內進行帶通濾波處理,將激勵源成分和結構固有振動成分進行分離,然后對具有低倒頻性質的結構共振成分進行頻譜重構,用重構頻譜反映故障引起的結構固有特性的變化,從而揭示故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢。對風電齒輪箱和軸承振動的分析實例表明,該方法提取的特征值具有受運行工況影響小,在各種運行工況下都能夠清楚表征故障狀態(tài),而且可以很好地反映故障的發(fā)生發(fā)展趨勢。 (2)基于Hilbert變換的窄帶包絡分析通過選擇振動信號中反映結構共振的頻帶進行窄帶濾波,獲取反映故障的幅值包絡信息。該方法的主要問題是窄帶濾波頻帶不好確定,特別是對于風電傳動鏈這類復雜機械設備,濾波頻帶的選擇對包絡分析結果影響很大,甚至可能得出錯誤的診斷結果。針對這一問題,提出一種稱為“移動濾波包絡譜圖”的改進方法,利用中心頻率移動的窄帶濾波器對振動信號進行分頻段窄帶濾波處理,求出每段濾波信號的幅值包絡譜,構成一組隨窄帶濾波中心頻率變化的“頻-頻”域的包絡譜陣,定義為“移動濾波包絡譜圖”。實例分析表明,移動濾波包絡譜圖可以清楚地區(qū)分正常狀態(tài)和故障狀態(tài),直截了當地反映故障引起的振動信號各個頻段的變化。 (3)齒輪、軸承等旋轉機械零部件故障造成振動信號中隨機成分的變化,對信號的循環(huán)平穩(wěn)特性產生影響,因此可以用循環(huán)平穩(wěn)特性分析中隨機成分的變化反映故障。但是振動信號中隨機成分的能量一般較低、分布頻率范圍較寬,為此提出利用譜相關密度三維對數等高圖顯示故障引起的信號隨機成分的變化進行故障特征提取。通過試驗軸承和直驅式風電機組軸承的實測振動信號對比分析,表明軸承故障產生振動信號的變化可以用對數譜相關函數圖清楚地反映出來。以譜相關函數共振區(qū)切片低頻部分(解調成分)的平均值作為特征值,由于消除了非循環(huán)平穩(wěn)成分的影響,對于故障狀態(tài)引起的變化更加敏感,有助于提高故障軸承診斷的準確性。 【關鍵詞】：風力發(fā)電機組 傳動鏈 故障特征提取 倒頻譜 包絡分析 循環(huán)平穩(wěn)分析
【學位授予單位】：華北電力大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM315;TH165.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目錄10-13
• Contents13-16
• 第1章 緒論16-26
• 1.1 研究背景16-18
• 1.2 研究現狀18-23
• 1.2.1 風電機組設備技術現狀18-20
• 1.2.2 風電機組振動監(jiān)測技術與系統(tǒng)現狀20-22
• 1.2.3 齒輪、軸承故障監(jiān)測診斷技術22-23
• 1.3 本文的主要研究內容和結構23-26
• 1.3.1 主要研究內容23-25
• 1.3.2 論文章節(jié)結構25-26
• 第2章 風電機組振動監(jiān)測基礎26-70
• 2.1 風電機組傳動鏈基本結構26-29
• 2.1.1 雙饋式風電機組傳動鏈26-28
• 2.1.2 直驅型風電機組傳動鏈28-29
• 2.2 風電機組傳動鏈典型故障29-35
• 2.2.1 風電機組故障統(tǒng)計分析29-30
• 2.2.2 風電機組齒輪箱故障模式及影響分析30-32
• 2.2.3 齒輪故障32-34
• 2.2.4 軸承故障34-35
• 2.3 齒輪箱振動分析35-46
• 2.3.1 振動系統(tǒng)基本模型35
• 2.3.2 風電機組傳動鏈振動系統(tǒng)35-36
• 2.3.3 定軸齒輪傳動的扭轉振動模型36-40
• 2.3.4 行星齒輪傳動輪系的純扭轉動力學模型40-42
• 2.3.5 齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)激勵42-44
• 2.3.6 齒輪箱振動信號的基本形式44-46
• 2.4 滾動軸承振動分析46-49
• 2.4.1 滾動軸承振動機理46
• 2.4.2 滾動軸承振動信號特征46-49
• 2.5 振動監(jiān)測與故障診斷技術基礎49-55
• 2.5.1 振動監(jiān)測技術構成及特點49-50
• 2.5.2 振動信號分析技術50-55
• 2.5.3 故障診斷技術55
• 2.6 實際風電機組傳動鏈振動監(jiān)測案例55-68
• 2.6.1 案例一：雙饋風電機組振動故障診斷56-63
• 2.6.2 案例二：直驅風電機組振動故障診斷63-68
• 2.7 本章小結68-70
• 第3章 基于倒頻譜同態(tài)濾波的故障特征提取70-90
• 3.1 倒頻譜分析基礎70-73
• 3.1.1 倒頻譜概述70-71
• 3.1.2 倒頻譜定義71-73
• 3.2 基于同態(tài)濾波提取故障信息73-76
• 3.2.1 同態(tài)濾波概念73-74
• 3.2.2 同態(tài)濾波提取齒輪故障特征的方案74-76
• 3.3 分析實例76-89
• 3.3.1 雙饋機組齒輪箱故障特征提取(案例一)76-79
• 3.3.2 直驅機組軸承故障特征提取(案例二)79-83
• 3.3.3 齒輪箱裂紋故障趨勢分析83-89
• 3.4 本章小結89-90
• 第4章 基于移動濾波包絡譜圖的故障特征提取90-110
• 4.1 包絡分析概述90-91
• 4.2 基于Hilbert變換的窄帶包絡分析91-99
• 4.2.1 Hilbert變換91-92
• 4.2.2 窄帶信號包絡分析92-95
• 4.2.3 窄帶包絡分析實例95-98
• 4.2.4 窄帶包絡分析的問題98-99
• 4.3 移動濾波包絡譜圖分析方法99-102
• 4.3.1 基本原理100
• 4.3.2 實現方法100-102
• 4.4 移動濾波包絡譜圖應用實例102-108
• 4.4.1 雙饋式風電機組齒輪箱診斷(案例一)102-105
• 4.4.2 直驅式風電機組軸承診斷(案例二)105-108
• 4.5 本章小結108-110
• 第5章 基于循環(huán)平穩(wěn)分析的故障特征提取110-123
• 5.1 循環(huán)平穩(wěn)分析方法介紹110-112
• 5.1.1 概述110
• 5.1.2 循環(huán)平穩(wěn)信號110-112
• 5.2 滾動軸承振動的循環(huán)平穩(wěn)分析112-113
• 5.2.1 滾動軸承振動的循環(huán)平穩(wěn)特性112
• 5.2.2 譜相關函數圖及故障特征提取112-113
• 5.3 分析實例113-122
• 5.3.1 試驗軸承分析113-118
• 5.3.2 直驅式風電機組軸承振動分析118-121
• 5.3.3 結論121-122
• 5.4 本章小結122-123
• 第6章 結論與展望123-125
• 6.1 全文工作總結123-124
• 6.2 研究工作展望124-125
• 參考文獻125-135
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果135-137
• 一、發(fā)表的學術論文135-136
• 二、其它成果136-137
• 攻讀博士學位期間參加的科研工作137-138
• 致謝138-139
• 作者簡介139

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