双馈风力发电机齿轮箱轴承无...速信号工况下的故障诊断研究 王文恒.pdf

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双馈风力发电机齿轮箱轴承无转速信号工况下的故障诊断研究*
王文恒,吕 达
(包头职业技术学院电气工程系,内蒙古包头014030)
摘 要:滚动轴承是风力发电机齿轮箱的结构里不能缺少的重要组件,时常会遭受磨损,特别是当有很大的载荷时,启停时
刻转速的急剧增大或减小经常会导致其发生故障,因此针对非平稳工况下轴承的故障诊断是必要的。传统对风力发电机齿
轮箱轴承的故障诊断算法有着不少弊端,如计算较复杂、效率不高、占时较长等。基于实现双馈风力发电机齿轮箱轴承故障
诊断方法的优化,课题组结合风力发电机工作原理和机械结构特点,通过阶比(order)分析,进行与旋转部件转动有关的测
量。课题组深入研究双馈风力发电机齿轮箱内部常见故障的在线监测与故障诊断系统,采集发生故障时的振动信号特征,并
利用虚拟仪器技术与LabVIEW等多款软件通过新型传感器如扭矩传感器、风速传感器、位移传感器等进行构建诊断与监测
环节,配合采集卡及逻辑控制编程,分析时域和频域故障特征,还尝试研究引入基于深度学****的大数据分析方法,更好地预
测并解决风力发电机齿轮箱故障问题。仿真结果表明,通过对振动信号进行短时傅里叶变换,然后进行转速追踪、拟合并得
到转速变化曲线,最后进行阶比分析,得出故障部位信息,实现了双馈风力发电机齿轮箱轴承无转速信号工况下的故障诊断
分析。
关键词:非平稳信号;阶比分析;重采样;转速追踪
中图分类号:TM315文献标志码:ADOI:.1672-
在现阶段的风力发电行业,永磁同步(直驱、半是某一阶段的诊断技术,而针对双馈风力发电机组早
直驱为代表)技术近年来得到了一定的发展,而双期信息难以获取等特殊性和技术难度,目前国内外尚
馈风力发电技术也相对成熟,谐波含量可控制在较少有深入的研究。课题组通过软件将深度学****理论
低水平,机组运行状态稳定,即使电网出现故障,与故障演化机理研究相结合,提高深度网络学****状态
双馈系统也可提供更高的电流能力,更有利于启动识别的准确性,在故障机理动力学特性和故障信息量
过电流保护及故障清除[1]。因此,双馈风力发电系化关系的研究基础上,拟准确捕捉齿轮箱振动数据的
统的市场认可度较高。齿轮箱是风力发电机的故障层次化特征、局部特征和动态全局特征,尝试融合卷
高发部件,一旦发生故障会严重影响正常的生产发积神经网络(CNN)和长短时记忆网络(LSTM),构
电工作,尤其是双馈机组采用齿轮箱将风轮转速升建双输入融合CNN-LSTM网络,并将其应用于双馈
高,提高发电机效率的同时,会出现各类齿轮箱的风力发电机组齿轮箱高精度状态监测过程中。在没
机械故障。在机器的运转中,相较于其他零部件,有转速计的情况下,无法直接获取转速信号,从而不
轴承与齿轮算是易损零件[2]。尤其是在转速高的工能直接进行阶比分析,需要从复杂的振动信号中拟合
况下,不少轴承在润滑条件不好时都可能发生温度出所需要的转速信号,然后进行等角度采样,通过阶
升高的现象,直接导致零件的刚性接触致使产生胶比谱获取故障部位的信息。
合状态,故需要完成状态的监测与诊断,
障未发生前就有了预判而能够快速处理,这也是故在大数据样本驱动下进行双馈风机齿轮箱状态
障诊断的初衷。如果能及时发现或在使用前进行双识别与分析,再通过搭建的实验台进行论证,本次的
馈风力发电机组件的全生命周期预测与诊断,就能采样数据是30s左右的风力发电机的降速数据,采样
对故障部件单独进行维修,,第一行是齿轮箱上测试信号,第二
会大幅降低。行是电机上测试信号[3]。轴承的型号为6215,齿轮箱
1无转速信号工况下的故障诊断传动比为106∶17,与电机相连的是小齿轮,其原始
传统对风机齿轮箱的故障诊断技术主要针对的数据如表1所示。
基金项目:2022年度内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目(NJZY22114)
作者简介:王文恒(1970—),男,辽宁盖县人,本科,讲师,研究方向为电气自动化。
2022年8月上AgriculturalEquipmentResearch&Development农业装备研发141
表1 原始数据
滚子或滚柱
保持架特征外环特征内环特征20
型号滚子数特征频率
频率(Hz)频率(Hz)频率(Hz)
(Hz)
15

无转速计阶比分析实现原理

利用短时傅里叶变换处理振动信号,首先对原始
5
信号进行傅里叶变换,其原始波形图如图1所示。然
后用窗函数对振动信号进行截取,通过不断移动窗函0
0
[4]
数,得到短时傅里叶变换的结果。可通过时间和振10
幅的关系图与短时傅里叶变换后的三维图进行分析。20
301500
405001000
做出短时傅里叶变换俯视图,从其中可以发现啮合频0
率较为相似的图线,然后通过转速的追踪得出结论。
图2 短时傅里叶变换后的时频三维振幅图
Step1:划定区域,此处所划定的这一个区域也就
2轴承故障仿真结果分析
是所追踪范围。
电机振动信号等角度采样图横坐标为时间,单位
Step2:将时间坐标轴进行固定,并在同类工况求
为秒,幅值为从0到最大值200,等角度采样放大图、
得幅值最大点Amax。
阶比谱图如图3所示。通过阶比谱可以清晰地看出,
Step3:计算Amax对应的频率fm,求得数值并记录。

Step4:滑动时间,寻到每个时间段t所需对应的
i接近,且倍频成分明显,说明风力发电机的轴承同样
频率f(i=1,2,…,n),其中,n为窗口滑动次数。
mi存在明显外环故障特征[7]。在轴承故障仿真中,对得
Step5:此处把所有短时长振动数据所互相对应
到的时频三维振幅图的不同图谱进行对比,对实际工
的转频合成为整个时间段振动数据的转频,记为f。
况下的双馈风力发电机齿轮箱轴承无转速信号的故
变化曲线获取完成之后,就应该对它所对应的积
障诊断进行研究,可通过轴承故障仿真结果得出双馈
分得到的时间和角度之间的数值关系进行分析,接着
风力发电机齿轮箱轴承无转速信号工况下的故障诊
完成等角度的采样,将对等角度采样以后的数据进行
断研究结论[8]。
阶比分析[5]。其原始数据应通过短时傅里叶变换,变
换后的数据经过频率、时间以及振幅之间的关系图,
如图2所示。在转频与时间关系通过积分,对照时间
与角度关系在等角度采样下,找到角度与振幅的关
系,在阶比分析作用下得出阶比谱即可[6]。
图3 电机振动信号等角度采样及阶比谱
3结束语
对于变转速工况下的故障信号一般有两种分析
方法:一种方法是时频分析法,它是将时域信号通过
时频变换转化到频域内,然后对下一时刻的瞬时频率
进行分析与对比,最终得到故障信号的处理方式;另
图1 原始波形图一种方法的中心思想是通过把非平稳的时域信号转化
142农业装备研发AgriculturalEquipmentResearch&Development2022年8月上
为平稳的角域信号,然后进行包络谱分析,这就是阶diagnosisviafaultcharacteristicorder(FCO)analysis[J].
比分析。通过不发生“频率混叠”现象的阶比分析方MechanicalSystems&SignalProcessing,2014,45(1):
法,可有效地分析电机工作时产生的非平稳信号[9]。139-153.
课题组采集的是双馈风力发电机在升降速时的数据,[6]HanT,LongQ,LiuC,
learningmethodbasedonstackedauto-encoderfor
由于电机在此过程中的速度不恒定,所以采集的数据
intelligentdiagnosisofrollingbearing[C]//31stInternational
属于非平稳信号,故而采用阶比分析方法对信号进行
CongressandExhibitiononConditionMonitoringand
分析[10]。首先对振动信号进行短时傅里叶变换,然后
DiagnosticEngineeringManagementCOMADEM2018:
进行转速追踪、拟合并得到转速变化曲线,最后进行North-WestUniversity,SouthAfrica,2018.
阶比分析,得出故障部位信息,实现双馈风力发电机[7][J].南方农机,
齿轮箱轴承无转速信号工况下的故障诊断分析。2019,50(17):109.
参考文献:[8][J].南方农机,2019,
50(8):120-121.
[1]徐冠基,柏林,刘小峰,
[9]韩特,刘超,杨文广,
音调判定[J].,2010,30(4):451-454+476.
械故障诊断中的应用年全国设备监测诊断与维护学
[2]吉磊,[C]//2018
术会议暨第十六届全国设备故障诊断学术会议、第十八届全
术[J].通信技术,2018,51(7):1561-1565.
国设备监测与诊断学术会议、年全国设备诊断工程会议
[3]周海丹,
研究[J].机床与液压,2018,46(17):185-:464-466.
[4][D].大[10]徐洪志,蒋东翔,王南飞,
连:大连理工大学,[C]//
[5]WangT,LiangM,LiJ,:103-109.
(上接第135页)
业在入驻的同时,将茶园轨道运输管理模式引入雷山参考文献:
县。雷山县人民政府先后在丹江镇脚散茶园基地和[1]、条件及其主要途径的探讨
达地水族乡白茶基地扶持茶叶企业建设轨道运输系[J].贵州农业科学,1988(5):51-54.
统,通过以上项目的实施,实现了雷山茶园轨道运输[2]付汉强,彭仪,万芹,
系统的零突破,提高了示范项目的带动效应和社会影分析[J].湖北农机化,2019(7):34-35.
响力。后续相关部门要加大对茶产业的财政支持力[3][J].福建农机,
度,采取“以奖代补”“先建后补”等方式,鼓励企业2021(3):9-12+36.
自主对茶园进行轨道运输系统宜机化改造,逐步提高[4]高锐,张伟,吕亚凤,
进展林业机械与木工设备,,:
轨道运输系统应用效果。[J].201947(12)9-12.
[5]黄海英,刘容飞,赖榕辉,
3)加大政策扶持和引导力度。在《贵州省人民政
的应用与效益分析[J].广东茶业,2019(6):36-38.
府关于加快推进农业机械化和农机装备产业发展的实
[6][J].新农
施意见》(黔府发〔2019〕19号)的政策背景下,一方
村,2020(4):35-36.
面,要围绕改变茶菜果药等重点特色经济作物产业的
[7][J].农业灾
机械化薄弱环节“无机可用”的现状,针对性地出台与
害研究,2016,6(1):60-62.
轨道运输系统有关的补贴政策,提高农机购置补贴额[8][J].南方农机,2020,
度,降低企业、农户购机成本;另一方面,要结合贵州51(14):86+137.
省山地农业发展实际情况,扩大轨道运输系统所需设[9]疏再发,吉庆勇,金晶,[J].中国
备的补贴范围。通过加大政策扶持力度,加快推进轨茶叶,2022,44(3):10-16+20.
道运输系统在山区茶园发挥巨大的优势和作用,促进[10]班鸣,[J].江苏农机
茶菜果药等重点特色经济作物产业的高效发展。化,2019(5):4-7.