风机齿轮箱故障诊断及状态监测
风能是一种蕴藏量非常丰富的自然资源，并且具有可再生、成本低、无污染等一系列的优点，目前已经得到了广泛的应用发展。随着风电产业的发展，风机的故障问题也是一个不能忽视的问题，特别是风机齿轮箱的故障原因及分析。 一、引言
我国的风力发电技术相对于其他发达国家起步较晚，然而近些年来的发展却十分迅速。以往的风力发电机组都要依靠靠进口，而到20世纪90年代后，通过采用国外先进的技术，并在此基础上进行优化和创新，使得目前国内通过专业化协作使整机国产化率达到89％，技术经济指标也都满足了设计指标的要求，并且具备了进行批量生产的能力。风力发电机的齿轮箱是风电机中最重要的机械部件之一，其主要功能是在风力作用下，将风轮产生的机械能传递给发电机，尤其对于大型风力发电机机组而言，风电机的主要故障来源之一就是齿轮箱，因此保证风电机齿轮箱正常运行极为重要。随着风电机组越来越广泛的使用，风力发电机的故障也逐渐引起了人们的关注。近年来由齿轮箱故障或损坏引起的机组停运事件时有发生，这是由于风电机组单机容量的不断增大，以及风电机组的运行时间的逐渐累积所导致的，由此带来非常严重的直接损失和间接损失，维修人员投入维修工作的工作量也有不断增加。因此，研究风电齿轮箱常见的故障形式进就变得极为必要。 国外兆瓦级水平风力发电机组技术己经相当成熟，目前国内大都引进国外的技术，这也局限了国内自主创新的研发进度。随着对设备运行状态的健康状况关注，对各种设备故障诊断的研究逐渐成为热点，齿轮箱的故障诊断的研究也逐渐升温。风电机齿轮箱的故障诊断技术涉及信号分析处理、计算机、人工智能等众多领域的知识。目前对风电机齿轮箱的故障诊断研究主要集中在状态监测仪器和分析系统的开发、故障机理研究和典型故障特征的提取、诊断方法研究和人工智能的应用、振动信号处理与分析等方面。 常见的风电齿轮箱故障分析 常见的分析方法
传统的振动信号的分析和处理方法有:时域波形统计特征值分析、幅值谱、功率谱、伯得图、细化谱分析、瀑布图、倒频谱分析等。发展出新的分析方法有:wigner-vile技术、小波分析、复调制带通滤波器解调、共振解调分析、短时傅立叶变换等，并且延伸出先进的研究成果和效益，运用实例有:林京等研究了机械振动信号小波处理技术;成琼提出基于高斯线调频小波变换诊断齿轮故障的新方法，用高斯线调频小波变换提取调制边频带的结构，用于识别齿轮故障模式，它比小波变换及其它时频分析方法有更强的非平稳信号的分析功能;唐德尧研究共振解调故障诊断技术的特性应用于铁路机车和客车车辆部件的故障诊断中。 故障诊断传统概念上主要依赖于各领域专家实现设备的故障诊断，随着智能技术以及专家系统技术的发展，故障诊断技术也向着自动化和智能化的趋势发展。灰色理论、模糊聚类、神经网络和数据融合等原理应用于齿轮箱的故障诊断中。尤其是BP神经网络故障诊断技术的应用，利用前向计算完成模式匹配与分类，分类的误差信息通过网络反向传播到自身，逐层的修改权值，实现权系数动态调整，再根据这些权系数进行故障诊断。应用实例有严新民在轴承早期故障诊断中运用了BP神经网络等。 （二）常见故障原因
一般情况下，风力发电机组是在环境非常恶劣的条件下运转工作的，受力情况十分复杂，常见的风电齿轮箱故障有磨损、齿面胶合、齿面接触疲劳和弯曲疲劳与断齿等。 第一，磨损。风电齿轮的磨损部位主要是渐开线工作面和齿的啮合以及齿轮两端平面损耗掉金属。风电齿轮的磨损一般分为四种情况，第一种是由接触表面上的金属以一定的速率缓慢
的损耗而造成的正常磨损或磨光。在预期寿命内，它将不影响齿轮的正常使用。第二种是风电齿轮在长期的重负荷作用下发生的破坏，属于中度磨损，是金属的较快的损耗。这种磨损会产生破坏并降低齿轮的使用寿命。第三种是风电齿面的损坏，很容易降低风电齿轮的使用寿命，并导致平稳性受到破坏。第四是在风电齿轮高速运转的过程中，一些细颗粒进入到轮齿的啮合中引起损坏。
第二，齿面胶合。风电齿轮长期处在高速的运转中，当出现润滑条件不良的情况时，齿面工作区的温度十分高，齿面间的油膜就会受到影响并可能消失，随着时间的推移，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，这样就会导致在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。适当对润滑条件进行改善，及时排除各种干涉起因，调整传动件的参数，清除局部载荷集中，就能有效减轻进而消除胶合现象。
第三，齿面接触疲劳。由于风电齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，并产生脉动载荷，进而产生剪应力，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳极限时，接触表面将产生裂纹，这就是疲劳裂纹。在多次的应力循环次数作用下和过大的接触剪应力作用下，齿轮的表面容易产生疲劳裂纹，并且容易进一步扩展而造成齿面的损失，主要表现在齿面剥落、破坏性点蚀、早期点蚀等。尤其是破坏性点蚀经常出现在齿轮啮合线部位，并且会逐渐开始扩展，造成齿面严重损伤，加大了磨损，最终导致断齿失效。因此，解决齿面疲劳的根本措施就是选择适合的精度和良好的材质，进而提高安装精度，改善润滑条件。
第四，断齿。断齿常由细微裂纹逐步扩展而成，根据裂纹断齿原因和扩展的情况，断齿包括过载折断、随机断裂以及疲劳折断等。疲劳折断的根本原因是轮齿在长期的应力变化的反复作用下，在疲劳折断处，容易发生断齿现象。它的发生从危险截面的疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力，造成瞬时折断。主要是由于齿轮的材料选用不当，齿轮制作的精度过低，磨削烧伤，热处理裂纹，齿根应力集中等。所以在设计时需要考虑传动的动载荷谱，优选齿轮参数，充分保证加工精度消除应力集中因素等。 裂纹起源于位于齿轮表面的内表面的夹杂处，在离源区较近的位置便可发现疲劳条带。断口特征是对断裂过程经历的一种真实而又详细的记录，可以用扩展区的疲劳条带对断口寿命进行定量估计。因此，可以用疲劳条带间距的大小来评估扩展应力幅的大小。 从断口上对疲劳条带间距进行测量，得到疲劳裂纹扩展速率随裂纹长度之间的变化数据并绘制曲线，裂纹扩展速率呈有规律平稳的加速变化，通过这个曲线，我们得知，裂缝如果再温度的载荷下发生扩展，载荷幅的变化范围不会很大。同时通过上面断口的疲劳条带的测量得知，源区若存在缺陷造成应力比较集中，则会加快疲劳裂纹的开裂和扩展。
过载折断常见的原因有突然冲击、轴承损坏、较大硬物挤入啮合区或超载轴弯曲等，它是由于轮齿上的应力超过了自身的极限应力，导致了裂纹的扩展所造成的。断齿断口的形式有两种，一种是呈放射状花样的裂纹扩展区，另一种是断口处出现塑性变形。因此在设计的时候要综合考虑各个方面的问题，充分考虑过载的因素，防止在安装的过程中出现箱体变形的情况，防止硬质异物进入箱体内。 三、风电机组齿轮箱振动故障
风力发电机组齿轮箱的自身振动特性与其发生故障是紧紧相连的，振动会对齿轮箱的运行状态产生非常大的影响。研究齿轮箱的振动特性，主要是了解其固有振动频率、形变以及振型等，要尽量避免不同部件固有频率相同而发生共振，另外还要防止齿轮工作在故障频率。 目前我国采用的齿轮箱减振系统主要采用的是轴瓦式弹性支撑。该支撑在安装时利用产品的偏心量，通过预压缩的方式将其固定于齿轮箱支撵座中。这种结构的齿轮箱减振支撑的承载能力强，能够承受来自径向和轴向的冲击载荷，有着良好的阻尼及减振性能。风力发电机组齿轮箱的振动往往是不可避免的，剧烈的振动将引发齿轮偏心、断裂等故障，应采取一些必要的减振降噪措施，使噪声满足声压级的要求，通常最常用的解决方法就是安装减振支撑。
故障远程监测技术 随着计算机技术、嵌入式技术及新兴虚拟仪器技术的发展，故障诊断装置仪器己经由最初的模拟式监测仪表发展为现在的基于计算机的实时在线监测与故障诊断系统和基于微机的便携式监测分析系统。此类系统止要有强大的信号分析功能，并且能够进行数据管理，能准确反映机器运行状态变化的各种信息，从而实现故障诊断。大型风力发电机的齿轮箱故障诊断系统可以实时的监测风电机齿轮箱的运行状况并预知故障，采取有效的措施将损失降到最低。 状态监测现目前也取得了明显的效果，就是采用先进的电气设备监测技术，结合全员生产管理，电气设备综合管理，全面质量管理，通过计算机管理系统，对风机设备进行全方位状态监督，对设备运行状态、影响安全经济、可靠运行的因素进行综合分析，寻找引发故障的根本原因，全面掌握设备的健康状况，在设备发生故障前及时进行检修，消除故障发生的可能，并对设备进行前景预测。实施状态监测的目的就是科学保养电气设备，在保障电气设备安全、经济、可靠的前提下，最大限度地提高设备的利用率，降低人、财、物的浪费，提高企业经济效益。 五、结束语