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摘要：目前分析齿轮箱故障的方式通常有齿轮箱油温监测、轴承温度监测，内窥镜检查、振动数据监测等。由于齿轮箱油温监测和轴承温度监测无法准确发现齿轮箱故障，而内窥镜检查无法全面检测内部部件，因此，振动数据监测已成为齿轮箱故障诊断、分析的主流方法。本文通过对某运行中的风电机组中存在异响的齿轮箱的振动数据进行采集后，采用Hilbert解调法对振动数据进行了分析，并准确提取了振动数据中的故障信息，诊断出了齿轮箱存在的故障。
关键词：Hilbert解调法；风电机组；齿轮箱；故障诊断
前言
随着风电机组运行年限的增长，齿轮箱的损伤概率也在逐步增加，及时发现齿轮箱的早期损伤并进行维修和处理，可有效避免因齿轮箱损伤扩大而造成如卡死、箱体开裂等重大损失。
1、齿轮箱故障类型
齿轮箱作为风电机组传动链的重要组成部件，主要是将叶轮吸收到的风能传递给发电机，并将叶轮的转速升高以适应发电机的工作转速，从而实现发电机发电。由于风力机外部风速存在较大波动，齿轮箱的工作环境较为恶劣，再加上齿轮箱各部件在设计、材料处理、装配精度方面可能会存在不足，高扭矩、高冲击、高转速的工作特点易导致齿轮箱内各传动部件在运行若干年后逐步出现损伤情况。较为常见的齿轮箱损伤有齿轮齿面断裂、胶合、点蚀等，以及轴承内圈、外圈、保持架、滚子损伤等。采用内窥镜对齿轮箱进行开盖窥视检查是较为常见的齿轮箱损伤排查方法，但是由于齿轮箱的特殊结构，此方法无法全面地检测到齿轮箱内部部件，易造成漏检，尤其是对于行星级齿圈、齿轮齿面的损伤，以及部分齿轮轴承的损伤，不易检测到。因此，需要采取振动数据监测的方法来分析齿轮箱的运行状况和损伤情况。
2、振动分析原理
采集风电机组齿轮箱运行过程中的振动信号，并经A/D转换后，得到振动信号数据随时间的变化关系，通过分析振动信号的时域波形来判断设备的故障问题。但事实上，现场采集到的振动信号中往往叠加了多个周期、幅值不同的振动数据，同时包含大量的随机脉冲噪声、白噪声等，很难从时域波形中直接提取到有效故障信息。采用傅里叶变换，可将振动信号由时域转换为频域进行观察。在对现场采集到的机械振动信号进行分析时发现，信号中的故障信息都是以振幅调制或相位调制的形式出现，若要获取故障信息就需要提取调制信号。提取调制信号的过程就是所谓的“信号的解调”。现对振动信号的Hilbert解调法进行具体分析。
1)将连续实信号x(t)表示成仅包括正频率成分的复信号q(t)的实部，则有：
通过Hilbert解调法处理振动数据，便可以有效地将调制信号从振动数据中提取出来，准确地分析故障信息。
3、齿轮箱振动测试及数据分析
3.1齿轮箱振动信号分析
某风电场一台1.5MW双馈式风电机组的齿轮箱在运行过程中存在异响，该齿轮箱采用“二级行星+一级平行轴”结构。异响位置靠近齿轮箱输出轴，当齿轮箱运行时，高速轴附近会发生尖锐的周期性冲击声。由于齿轮箱在运行时，油冷风扇、发电机散热风扇等同时也在运行，机舱内噪音较大，无法直接定位异响的具体位置。为提取到异响信号，在齿轮箱箱体上布置测点，对齿轮箱运行过程中的振动信号进行采集。现场采集振动数据时发现，高速轴轴承附近位置异响较为强烈，因此重点分析了齿轮箱高速轴水平方向的振动信号。振动信号较为杂乱，无法观察到明显的异常信息。
对该振动信号进行傅里叶变换后得到其振动频谱图，振动频率峰值最高的2个频率为500Hz与100Hz，且从频谱分析结果可知，频率存在一定的频率调制现象。通过对齿轮箱高速轴的转速、齿数及与其啮合的中速轴转速，齿数参数进行相关计算，得到高速轴、低速轴转频，以及高速轴与低速轴的啮合频率，相关结果中均未有与500Hz与100Hz相匹配的特征频率，这说明500Hz与100Hz对应的2条频谱线并不能反映出设备实际的故障特征频率。由此可知，在某些工况时仅对振动的时域信号直接进行频谱分析，很难发现设备存在的振源信息。
根据德国工程师协会颁布的VDI3834《风力发电机及其组件机械振动的测量和评估》标准中的有关规定，计算得出该齿轮箱高速轴振动水平方向加速度信号在0.1～10Hz频率范围内的有效值为0.01m/s2(小于0.3m/s2)，10～2000Hz频率范围内的有效值为0.54m/s2(小于7.5m/s2)。这两个值并未超过VDI3834标准中规定的齿轮箱运行时的振动要求限值，造成这一情况的原因可能是因为测试时的风速未达到风电机组的额定风速，或齿轮箱内部损伤较小导致测得的振动信号有效值较小。
3.2齿轮箱故障理论分析
1)根据测试时现场记录的齿轮箱状态，齿轮箱高速轴转速为1120r/min。齿轮箱高速轴齿数为34，中速轴齿数为109，高速轴滚动轴承型号为6320。则齿轮箱高速轴转频fi=1120/60=18.67Hz，中速轴转频f2=fi×34/109=5.82Hz，高速轴与中速轴的啮合频率fi2=18.67×34=634.78Hz。2)齿轮箱故障中滚动轴承损伤也较为常见，现对其进行分析。滚动轴承主要由保持架、滚子、内圈、外圈四部分组成，每个组成部件都有其特征频率。对于内圈旋转、外圈固定的滚动轴承，滚动轴承保持架的故障频率(FTF)可表示为：
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式中，d为滚子直径，mm；D为轴承节圆直径，mm；α为滚子接触角。
查阅型号为6320的滚动轴承的相关产品信息后可得，N=8，d=36.5mm，D=157.5mm，α=0°。在fi取18.67Hz时，将轴承各参数代入式，计算得到齿轮箱高速轴滚动轴承各部件的故障频率
通过对比高速轴转频、中速轴转频、高速轴滚动轴承各部件的故障频率可以发现，高速轴转频(18.67Hz)与图1中包络谱分析的18.59Hz的故障频率基本一致，且该频率距离高速轴与中速轴的啮合频率(634.78Hz)、中速轴转频(5.82Hz)、高速轴轴承各部件故障频率(7.17、38.12、91.99、57.37Hz)均较远。由此分析可知，齿轮箱故障位于高速轴齿面上，推测齿轮箱高速轴齿面存在断齿或剥落情况。
4、现场检查结果
通过对齿轮箱运行时的振动数据进行分析，初步判断出齿轮箱高速轴齿面存在断齿或剥落的情况。于是立刻安排风电机组检修人员对齿轮箱进行开盖检查，结果发现，齿轮箱内部高速轴有一个齿面存在较小的剥落。
5、结论
本文采用Hilbert解调法对振动信号进行分析，将齿轮箱早期损伤故障信号解调出来，准确获取了故障信号，并且及时发现了齿轮箱的早期损伤，避免了齿轮箱损伤进一步扩大，为风电机组齿轮箱的故障检测与分析提供了有效的参考方法。
参考文献：
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