一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法与流程

1.本发明涉及风电齿轮箱检测维护技术领域，尤其涉及一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法。


背景技术：

2.通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴(俗称大轴)与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用胀紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动(定桨距风轮)或变桨距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件，等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。在风电界水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动最为常见。
3.齿轮箱作为风力发电机组中的重要传动部件，主要作用是将风轮动力传递给发电机，使其得到相应的转速，是实现风能转换为电能的最主要部件之一，也是风机中故障率最高的零部件之一，而且由于齿轮箱安装于距离地面几十米高空塔顶的狭小机舱内，出现故障修复十分困难。如果齿轮箱故障比较复杂，无法在塔顶完成维修，还需要下塔处理，其维修费用高、维修周期长，严重影响风机的正常运行，为此，我们提出一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法。


技术实现要素：

4.本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法，包括以下步骤：
6.s1：采用从传感器测点、振动信号采集，及结合行业机理的信号处理和特征工程技术等进行诊断；
7.s2：诊断完成后对故障类别进行区分，如常见的齿轮故障形式有：齿轮断齿、齿面胶合、齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面点蚀等；常见的轴承故障有：外圈故障、内圈故障、保持架故障、滚动体故障等；
8.s3：对齿轮和轴承进行润滑和养护。
9.作为优选，传感器作为信号采集分析的第一步，选择最佳测点成为获得有效故障信息的重要保证，导致采集不到优质信号的同时，甚至可能将错误的信号发送到主机而引发一系列误判。
10.作为优选，将传感器安装到发电机箱体上，由于它距离振动源太远且箱体噪声较多，无法采集到所需的振动信号，测量部位应选在设备上对振动敏感的部位，一般都把轴承处选为主要测量点，把机壳、箱体、基础的部位作为辅助测点。
11.作为优选，对于低频振动，采用水平、垂直、和轴向进行测量，对于高频振动，则只需在一个方向进行测量即可，低频信号的方向性强，且避免选择高温、高湿、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，影响数据结果。
12.作为优选，采集的信号需要能够支撑业务目标，提供足够好的数据质量，数据具有可分类性，采集的信号是仅限于单机的单体设备，采集集群对象的相关数据。
13.作为优选，风机齿轮箱故障预测的振动信号采集，则需要在满足风机主状态为发电状态，且发电机转速高于100rpm的前提下，每隔半小时采集20s的cms 数据，并每50ms通过modbus读取一次主控数据。
14.作为优选，齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动，若发生故障，其振动信号的能量分布就会发生变化，所以上述故障一般都能在振动信号中体现出来，对振动信号进行合理有效地采集分析，可以很好地识别设备运行状态，大大降低风机维护成本。
15.作为优选，对信号进行预处理，增强其中的一些机械信号，运用时域同步平均的方法，把不同转的振动信号分割开，在时域进行平均，从而得到转一周 360度的振动信号标准情况，其本质是对信号降噪，当轴承磨损一定程度时，能够在频域直接看到有具体哪些故障，所以在分析时要先判断是否有严重故障之后再做精细处理，再对轴承进行包络谱分析后，发现在内环对应的故障频率有故障的发生。
16.作为优选，对于非稳态的信号产生的故障，运用小波的方式进行抓取，定位到故障的发生时间、层级等，对整个信号进行小波分解，将原始信号不断细分，针对离散的小波变换采用不同的信号处理方式，而谱峭度相当于对原始的信号做滤波，突出其尖度、脉冲度非常高的信号，因为这些信号往往很可能对应着某些故障信息，同时，可对频谱的相似度进行量测的量，通过衡量频域相似度进行自动化判断，工况分割主要针对一些特殊的变量，如转速、负载等信号等，对简单量化后的工况做分析，对同类信息进行对比，提高精确度，最终通过整个分析过程来判断齿轮箱具体有什么故障，而且即使在分析过程中没有发现明确的故障，也可以通过对比判断出存在哪些潜在的故障。
17.作为优选，采用油枪加注润滑脂，在使用时油枪时，避免采用第一次打出的润滑油，防止因放置时间过长导致的老旧润滑油堵塞在油枪内注入齿轮，加油前清洁油嘴。
18.有益效果
19.本发明提供了一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法。具备以下有益效果：
20.(1)、该一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法，对于低频振动，采用水平、垂直、和轴向进行测量，对于高频振动，则只需在一个方向进行测量即可，低频信号的方向性强，且避免选择高温、高湿、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，通过这样的方式进行采集，进一步的提高了数据采集的稳定性、可靠性，且该方式避免因外界因素影响到测量
的数据和结果，进一步的提高了稳定性，反复检测取中间值的方式可靠性更高，使用起来更加便捷。
21.(2)、该一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法，风机齿轮箱故障预测的振动信号采集，则需要在满足风机主状态为发电状态，且发电机转速高于 100rpm的前提下，每隔半小时采集20s的cms数据，并每50ms通过modbus读取一次主控数据，通过反复测量进行数据检测和记录的方式，多次记录的方式进一步的起到更精准的诊断。
22.(3)、该一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法，齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动，若发生故障，其振动信号的能量分布就会发生变化，所以上述故障一般都能在振动信号中体现出来，对振动信号进行合理有效地采集分析，可以很好地识别设备运行状态，大大降低风机维护成本。
23.(4)、该一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法，对于非稳态的信号产生的故障，运用小波的方式进行抓取，定位到故障的发生时间、层级等，对整个信号进行小波分解，将原始信号不断细分，针对离散的小波变换采用不同的信号处理方式，而谱峭度相当于对原始的信号做滤波，突出其尖度、脉冲度非常高的信号，因为这些信号往往很可能对应着某些故障信息，通过衡量频域相似度进行自动化判断，工况分割主要针对一些特殊的变量，如转速、负载等信号等，对简单量化后的工况做分析，对同类信息进行对比，提高精确度，最终通过整个分析过程来判断齿轮箱具体有什么故障，也可以通过对比判断出存在哪些潜在的故障，通过这样的方式，避免了设备的安全隐患，进一步的提高设备稳定性的效果，使用起来更加便捷。
24.(5)、该一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法，采用油枪加注润滑脂，在使用时油枪时，避免采用第一次打出的润滑油，防止因放置时间过长导致的老旧润滑油堵塞在油枪内注入齿轮，加油前清洁油嘴，防止油嘴泄露油脂出来对人体表皮出现腐蚀，通过这样的方式，进一步的起到保护工作人员的效果，防止工作人员因油脂导致皮肤过敏等现象，且通过注入油脂延长了齿轮箱内齿轮的使用寿命，将第一次注入的油脂打出防止部分油脂粘附在油枪的内管，导致油枪在使用时将带有污染的油脂喷出，进一步的保证了齿轮箱稳定性且延长了使用寿命，上风机时，检查油位，防止油脂出现不充足现象注意观察油脂的颜色，如果颜色不正常或其亮度与普通油脂有差，则对油脂替换和清洁。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其他的实施附图。
26.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
27.图1为本发明检测流程框图；
28.图2为本发明高速轴垂直加速度时域波形图；
29.图3为本发明高速轴垂直速度时域波形图；
30.图4为本发明高速轴垂直加速度频谱图；
31.图5为本发明高速轴垂直速度频谱图；
32.图6为本发明高速轴垂直加速度包络谱图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.实施例：一种风电齿轮箱故障检测监测与诊断方法，如图1-图6所示，包括以下步骤：
35.s1：采用从传感器测点、振动信号采集，及结合行业机理的信号处理和特征工程技术等进行诊断，传感器作为信号采集分析的第一步，选择最佳测点成为获得有效故障信息的重要保证，导致采集不到优质信号的同时，甚至可能将错误的信号发送到主机而引发一系列误判，将传感器安装到发电机箱体上，由于它距离振动源太远且箱体噪声较多，无法采集到所需的振动信号，测量部位应选在设备上对振动敏感的部位，一般都把轴承处选为主要测量点，把机壳、箱体、基础的部位作为辅助测点，采集的信号需要能够支撑业务目标，提供足够好的数据质量，数据具有可分类性，采集的信号是仅限于单机的单体设备，采集集群对象的相关数据，风机齿轮箱故障预测的振动信号采集，则需要在满足风机主状态为发电状态，且发电机转速高于100rpm的前提下，每隔半小时采集20s的cms数据，并每50ms通过modbus读取一次主控数据；
36.s2：诊断完成后对故障类别进行区分，如常见的齿轮故障形式有：齿轮断齿、齿面胶合、齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面点蚀等；常见的轴承故障有：外圈故障、内圈故障、保持架故障、滚动体故障等，齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动，若发生故障，其振动信号的能量分布就会发生变化，所以上述故障一般都能在振动信号中体现出来，对振动信号进行合理有效地采集分析，可以很好地识别设备运行状态，大大降低风机维护成本，对信号进行预处理，增强其中的一些机械信号，运用时域同步平均的方法，把不同转的振动信号分割开，在时域进行平均，从而得到转一周360度的振动信号标准情况，其本质是对信号降噪，当轴承磨损一定程度时，能够在频域直接看到有具体哪些故障，所以在分析时要先判断是否有严重故障之后再做精细处理，再对轴承进行包络谱分析后，发现在内环对应的故障频率有故障的发生，对于非稳态的信号产生的故障，运用小波的方式进行抓取，定位到故障的发生时间、层级等，对整个信号进行小波分解，将原始信号不断细分，针对离散的小波变换采用不同的信号处理方式，而谱峭度相当于对原始的信号做滤波，突出其尖度、脉冲度非常高的信号，因为这些信号往往很可能对应着某些故障信息，同时，可对频谱的相似度进行量测的量，通过衡量频域相似度进行自动化判断，工况分割主要针对一些特殊的变量，如转速、负载等信号等，对简单量化后的工况做分析，对同类信息进行对比，提高精确度，最终通过整个分析过程来判断齿轮箱具体有什么故障，而且即使在分析过程中没有发现明确的故障，也可以通过对比判断出存在哪些潜在的故障。
37.s3：对齿轮和轴承进行润滑和养护，采用油枪加注润滑脂，在使用时油枪时，避免采用第一次打出的润滑油，防止因放置时间过长导致的老旧润滑油堵塞在油枪内注入齿轮，加油前清洁油嘴，与液压油或润滑油接触时，应带上耐油橡胶手套，防止对人皮肤的腐蚀，上风机时，检查油位，防止油脂出现不充足现象注意观察油脂的颜色，如果颜色不正常或其亮度与普通油脂有差，则对油脂替换和清洁。
38.本发明的工作原理：
39.第一步：对于低频振动，采用水平、垂直、和轴向进行测量，对于高频振动，则只需在一个方向进行测量即可，低频信号的方向性强，且避免选择高温、高湿、出风口和温度变化剧烈的地方作为测量点，通过这样的方式进行采集，进一步的提高了数据采集的稳定性、可靠性，且该方式避免因外界因素影响到测量的数据和结果，进一步的提高了稳定性，反复检测取中间值的方式可靠性更高，使用起来更加便捷。
40.第二步：风机齿轮箱故障预测的振动信号采集，则需要在满足风机主状态为发电状态，且发电机转速高于100rpm的前提下，每隔半小时采集20s的cms 数据，并每50ms通过modbus读取一次主控数据，通过反复测量进行数据检测和记录的方式，多次记录的方式进一步的起到更精准的诊断。
41.第三步：齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动，若发生故障，其振动信号的能量分布就会发生变化，所以上述故障一般都能在振动信号中体现出来，对振动信号进行合理有效地采集分析，可以很好地识别设备运行状态，大大降低风机维护成本。
42.第四步：对于非稳态的信号产生的故障，运用小波的方式进行抓取，定位到故障的发生时间、层级等，对整个信号进行小波分解，将原始信号不断细分，针对离散的小波变换采用不同的信号处理方式，而谱峭度相当于对原始的信号做滤波，突出其尖度、脉冲度非常高的信号，因为这些信号往往很可能对应着某些故障信息，通过衡量频域相似度进行自动化判断，工况分割主要针对一些特殊的变量，如转速、负载等信号等，对简单量化后的工况做分析，对同类信息进行对比，提高精确度，最终通过整个分析过程来判断齿轮箱具体有什么故障，也可以通过对比判断出存在哪些潜在的故障，通过这样的方式，避免了设备的安全隐患，进一步的提高设备稳定性的效果，使用起来更加便捷。
43.第五步：采用油枪加注润滑脂，在使用时油枪时，避免采用第一次打出的润滑油，防止因放置时间过长导致的老旧润滑油堵塞在油枪内注入齿轮，加油前清洁油嘴，防止油嘴泄露油脂出来对人体表皮出现腐蚀，通过这样的方式，进一步的起到保护工作人员的效果，防止工作人员因油脂导致皮肤过敏等现象，且通过注入油脂延长了齿轮箱内齿轮的使用寿命，将第一次注入的油脂打出防止部分油脂粘附在油枪的内管，导致油枪在使用时将带有污染的油脂喷出，进一步的保证了齿轮箱稳定性且延长了使用寿命，上风机时，检查油位，防止油脂出现不充足现象注意观察油脂的颜色，如果颜色不正常或其亮度与普通油脂有差，则对油脂替换和清洁。
44.第六步：振动信号中存在冲击成分，高速轴垂直方向振动加速度时域波中形存在明显冲击，冲击信号的时间间隔为0.076s，频率约为13.15hz，振动速度时域波形也存在同频率同类型冲击，对高速轴垂直方向振动加速度信号、高速轴垂直方向振动速度信号进行频谱分析，得到相应的频谱图，在130hz和410hz 附近均存在频率为13hz左右的边频成分，进一步对加速度信号进行包络分析，得到信号的包络谱，发现图中13.162hz及其倍频占主
要成分，其中13.1hz为高速轴转动频率，由于上述频率中，13.1hz为高速轴转动频率，由此可知高速轴存在损伤，幅值在整个损伤过程的变化趋势是从幅值非常低的阶段(对应弹性阶段)到大幅度增加阶段(对应屈服阶段)，然后经历逐渐降低阶段(对应强化阶段)直至几乎没有幅值出现(断裂前的颈缩阶段)，最终出现整个过程中最高的幅值点(对应断裂时刻)，通过归一化方法进行数据处理最大的特点是不会改变每个声发射累积参数在累积总量上所占的比例，因而保留了各个累积特征参数曲线变化的趋势，而且，通过各个累积声发射参数在各个损伤阶段的增加量能够反映出不同累积参数对于不同类型损伤的敏感性，所以在归一化后的声发射累积参数更适合于分析整个损伤过程中不同阶段的声发射活动情况。
45.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。