风力发电机组齿轮箱振动测试与分析
风力发 电机组齿轮箱振动测试与分析
唐新安 谢志明 王 哲 吴金强
摘要 对齿轮箱做 振动测试 和分析 ，通过模 式识别找 到齿轮箱损坏 时呈现的特性 ，为齿轮 箱故 障诊 断提供依 据 。
关键词 风力发 电机组 齿轮箱 振动分析 故障诊断
中图分类号 Till13．21 文献标 识码 A
我 国风电场中安装 的风力发 电机组多为进 口机组。因为在
恶劣环境下工作，其损坏率高达 40％～50％。随着清洁能源的普
及，齿轮箱的故障诊断和预知维修已迫在眉睫。本文就齿轮箱的
故 障诊断作一些探索性研究 。
一
、 齿轮箱振动测试
采用北京东方所开发的 DASP(Data Acquisition and Signal
Processing)测振系统 ，对某风 电场 、5 机组
齿轮箱的不 同测点 (图 1)做 振动测试 和分
析 ，4 机组 刚进行过检 修运行正常作 为对照
机组 ，5 机组 噪声异 常为待检机组 ，对 两机
组齿轮箱的振动信号对比分析 ，判断存在故
齿轮箱
图 1 齿轮箱 、发 电机测点分布图
表 1 齿轮 箱特征频率表 Hz
啮合频 率
倍频 第 1级 第 Ⅱ级 第 Ⅲ级
1 52_32 196．39 530．25
2 104．64 392．78 1060．50
旋转频率
倍频 太 阳轮轴 中间轴 高速轴
1 2．9 9．8 25_3
2 5．9 19．6 50 5
障。齿轮箱特征频率见表 1。
二 、信号分 析
1渤 计分析
由统计表 2、表 3可 看 出，5 机组 振动值 明显偏 大 ，尤其是
5～10测 点振动值基本上是 4 机组 相应测点的 2倍以上 。
5 机组概率 分布 及概率 密度 函数反 映其 时间序 列分 布范
表 2 4 机 组幅域统计表 m／s
测 点 最 大值 最小值 平均值 方 差 标准差 均方值 有效值
1 1．37962 —1．37962 —0．oo189 0．14445 0．38oo7 0．14446 0．38oo8
2 1．68621 —1．68621 —0．OO43 0．14528 0．38l16 0．1453 0．38119
3 1．68621 —1．8395 4．15E-4 0．1396 0．37363 O．1396 0．37363
4 1．8395 —1．68621 —0．0027 0．15588 0．39482 0．15589 0．39483
5 3．67901 —3．67901 —0．oo396 0．9185 0，95838 0．91852 0．95839
6 3，98559 —3．98559 —1．35E一4 0．95953 0．97956 O．95953 0．97956
7 3．37242 —3．98559 —0．00373 0．98535 0．99264 0．98536 0．99265
8 3．37242 —3_21913 —0．oo158 0．57355 0．75733 0．57356 0．75733
9 3．21913 —3，O6584 —0．O0248 0，63669 0．79792 0，63669 0，79793
10 3_21913 —3．21913 —0．oo848 0．70548 0，83993 0．70555 0．83997
表 3 5 机组幅域统计表 m／s
测点 最大值 最小值 平均值 方 差 标准差 均方值 有效值
1 3．8323 —4．13888 0．OO246 1．19355 1．O925 1．19356 1．0925
2 3．21913 —3．52571 —0．oo952 0．8268 0．90928 0．82689 0．90933
3 3．8323 —3．37242 —0．oo207 0．51148 0．71517 0．5l148 0．71518
4 3．52571 —3．67901 7．11E一4 0．61309 0．783 0．61309 0．783
5 9．6574 —8．58435 0．oo379 4．32224 2．079 4．32226 2．079
6 9．96398 一l0．8837 —0．oo317 6．50419 2．55033 6．5O42 2．55033
7 9．96398 一l0．2705 7．11E一5 7．44349 2．72827 7．44349 2．72827
8 10．2705 一l1．3436 0，01553 5．56216 2．35842 5．5624 2．35847
9 8．27777 —9．5O41 —0．oo251 5．49081 2．34324 5．49081 2．34324
10 8~58435 —7．971 18 0，0l135 4．26909 2．06618 4．26922 2．O6621
停机时检测一下各级叶轮与扩压器之间的间隙值 (英格索兰公
司产品垂直剖分结构的特点使之很容 易就可作到 )；(3)注意观
察分析在线状态监测的数据变化 ，分析 叶轮的平衡情况 ，避免设
备振动过大造成严重损 失。 W06．1 1—17
— 谨 塑己盔
作者通联： 中石化股份公 司天 津分公 司动力部 天津市大
港 区上古林 西 300270
E—mail：chx．w@tom．corn (编辑 王 其 ]
设苗篁理与维僖 2006 Noll 团
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围较 宽 (图 2)，峭度 系
数 (即 四阶 中心 距 )与
机组 的(图 3)明显不
同(若以 机组为标准
g=0，那 么 5 机 组 g<
0)，预示 5 机组存在 故
障。
2．时域分析
通 过 时 域 分 析
(图 4、图 5)，发 现 5
机 组 齿 轮 箱振 动信 号
有明显异 常，幅值较大 ，
且有明显的
周期 性 ，其 0．50
频 率 约 为 0
0
．
．
4
30
0
20Hz。 0．20
3．频 域 0．10
分析 。．
1
0
-0
0
由图 6 0．8
可 见 ，5 机
组齿轮箱的 0．2
频谱 图既有 0．0
调幅成分又
有调频成分
(调 制 频 率
对 中心频 率
的 幅 值 不 对
称 )。
从 5 机组
功 率谱 密 度 函
数 (图 7)可 以
看 出 ，在频 率
177Hz、196Hz、
531Hz及 其 倍
频 处 幅 值 和
4 机组 (图 8)
相 应 测 点 相
比 成 倍 数 增
大 。 而 177Hz
是 高 速 轴 转
频 的 7倍 频 ，
196Hz、531Hz
是 齿 轮 箱 第
Ⅱ级 、第 Ⅲ级
的 啮 合 频 率 ，
因 而 可 判 断
故 障 出 现 在
第 Ⅱ级 、第 Ⅲ
级 。
圉
0．50
0．40
0．3O
0．20
0．10
0．00
1．0
0．8
0．6
0．4
0．2
0．0
概 翠 密 厦
j’ f
分布密度 ( {
j
一 30 ～20 一l0 0 10 20 30
m／sZ
图 2 5 机组概率分布
概率密度
r
1
分布密度 f
J
一 30 —20 —10 0 l0 20 30
m／s2
图 3 4 机组概率分布
8-0
7．0
6．0
5-0
4．0
3．0
2．0
1．0
0-0
0．8
0．7
O．6
0．5
0．4
0-3
0．2
0．1
O-0
0 l00 200 300 40O 500 600 700 g00 9OO
Hz
图 6 5 机组 幅值谱
4．特殊分析
在倒频谱(图 9、图 10)中可以看到，4 机组、5 机组的倒
0 500 l00o l500 20OO 2500 3000 3500
Hz
图 7 5 机组功率谱密度 函数
0 500 l00o l500 2000 2500 3000 3500
Hz
测点 5
辆 黼 嘲 酚嗨辫 嘏糨麟 嘲轺
测点 6
测点 7
测点 8
序号 频率 功率谱密度
l 177．00l95 2．93oB4
2 l96．77734 2．67978
3 373．77930 0．58456
4 216．30859 0．3嘲
5 l593．7500o 0．34513
6 186 6758 0．34187
7 354．0039l 0．22784
8 206．54297 0．17330
序号 频率 功率谱密度
l l96．5332o 0-67760
2 5224t 0．12119
3 1592．28516 0．08642
4 l590．576l7 0．05712
5 1591．30859 0-05479
6 393．O自64l 0-o5399
7 530．76172 0．04947
8 1886．71875 0．04 248
图8 4 机组功率谱密度函数
0 50 100 150 2O0 250 0 20 40 60 80 100 120
图 4 4 机组时域波形
0 50 100 l50 200 250
图 5 5 机组时域波形
设置簟理与维修 2006 Nol1
图 9 4 机组倒频谱
0 20 40 60 80 l00 l20
m S
图 10 5 机组倒频谱
频谱中都有一个很明显的频率为 9．8Hz的尖峰 ，这个频率与
。 一 ij 筮 鲢 魃 盏主鲞 鏊 ．
¨ 加 ％ ¨ ∞
n8，ⅡH
O O O O O O O O 加 印 如 如 加 ∞
N迂吕
O O 0 0 O O O 0 ∞ 如 ∞
啪葛
5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O
，基 ，基
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中间轴 的转 频相 同，说 明中间轴 的 回转 误差较 大 ，是主要 的调
制源 。
对 比包 络解调谱 (图 11、图 12)可 以看 出 ，5 机 组 19．5Hz、
39．1Hz和 58．6Hz(中间轴转 频的 2倍频 、4倍频和 6倍频 )就是
调制的频率 ，说明中间轴发生 了故 障。
0 100 200 300 4oo 500
Hz
图 11 4#机组包络解调谱
0 100 200 300 4OO 500
H z
图 12 5 机组包络解调谱
从图 13、图 14可以看到，齿轮箱的频谱以第 Ⅱ级、第Ⅲ级
齿 轮啮合频率 (196Hz、531Hz)及 其倍频 为 中心频率 ，以 中间轴
的转频及其倍频为调制频率形成上下边频带。
根据以上分析，可以确定该齿轮箱的第 Ⅱ级和第Ⅲ级轴、齿
轮 、轴承存在缺陷，拆检结果与诊断结果相符。
三 、结论
1．拆 检结 果证 明 ，用 上述 的方法可 以快速 、准确地判 断出待
检齿轮箱是否存在故
障 以及故障所在 。
2．风力发 电机组 工
作 环境 十分恶 劣 ，输 入
载荷变化频繁 ，故障率
非 常高 ，维修 困难 。建
议 加 强 机 组 安 全 保 护
方 面的设 计 (如 加装机
组状态监测系统等 )。
3．风力发 电机组 由
于结 构 复杂 ，转 速变 化
频 繁 ，故 障类 型多 ，有
必要 采用 多种 手段 (如
噪 声 测 试 、油 液 分 析
等 )进 行综 合精 密故 障
诊断 。
参考文献
I 易 良榘．简易振动诊断
现场实用技术．北京 ：
机械工业 出版社 ，2003
2 钟秉林．黄仁．机械故
障诊 断学．北京 ：机械
工业 出版社 ，1997
一
{
一 100 —50 0 50 100
图 13 4#机组 自相关 函数
一
一 100 —50 0 50 100
图 14 5 机 组 自相关 函数
3 丁康，李魏华，朱小勇．齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术．北京：机械
工业 出版社 ，2005
4 张来斌 ，王朝晖 ，张喜延 ，樊建春．机 械设备故 障诊断技 术及方法．北
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5 徐敏 ，黄 昭毅．设备故障诊断手册．西安 ：西安交通 大学 出版社 ，1998
W 06．1 1—18
作者通联：唐新安． 新疆大学(北校区)机械工程学院 乌
鲁木 齐市 830008
E—mail：txatxa@163．tom [编辑 王 其]
— 蕴j 』邀 一 设置管理与维修 2006 Noll 图
0 8 6 4 2 0 2 4 6 8 0
● 0 0 0 0 0
0 8 6 4 2 0 2 4 6 8 0
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