变转速下基于改进多阶概率方法的风电齿轮箱故障诊断研究

阶次跟踪是一种有效的解决变转速故障诊断问题的方法,其关键前提是存在转速信号作为参考。然而,由于强背景噪声和弱谐波关系的影响,现有转速估计方法的准确性和自适应性有待进一步提高。因此,提出一种融合多传感器信号的改进多阶概率方法(MOPA)用以估计瞬时转速。首先,依据不同传感器信号的基频统一性和主导分量差异性,通过时频图瞬时切片归一化融合的方式,构建具有强谐波关系的时频图;其次,为消除时变工况下时频图中横纵方向上的间歇恒频和短时宽频背景噪声,提出滑动消噪方法;最后,基于处理后的时频图执行MOPA,实现瞬时转速自动估计,结合阶次跟踪解决风电齿轮箱变转速故障诊断问题。经实测数据验证,改进MOPA估计的瞬时频率的准确性和自适应性均优于对方法,平均绝对百分比误差为0.56%,均小于对比方法的15.73%、13.99%和1.21%。结合阶次分析诊断了变转速下风电齿轮箱异常。

应用滑动轴承的风电齿轮箱行星轮系动力学建模及解耦方法

在行星轮系动力学建模中,常以非线性油膜力或线性刚度-阻尼形式考虑其对系统动力学特性的影响,前者仿真精度高但计算成本也高,后者计算效率高却忽略了油膜力和轴颈-轴套偏心量的时变性,仿真精度有限。为此,以2MW级风电齿轮箱为研究对象,建立滑动轴承时变线性刚度-阻尼模型,提出计入轴颈-轴套时变偏心量的滑动轴承附加偏心修正力计算方法;利用行星架销轴-行星轮变形协调关系,将时变线性刚度-阻尼模型与附加偏心修正力进行耦合;建立应用滑动轴承的风电齿轮箱行星轮系动力学模型,对比了工况和轴承参数对模型计算精度与系统动态响应的影响,并通过试验加以验证。研究结果表明,齿轮副动态啮合力波动会使滑动轴承刚度-阻尼系数和附加偏心修正力产生周期性变化;在稳定和瞬态工况下,提出的模型可以很好地预测系统响应,尤其是行星轮振动响应;减小滑动轴承宽径比与间隙、增大输入转矩可以改善系统均载性能。

AR-MED共振特征增强的风电齿轮箱故障诊断

针对风电齿轮箱故障时脉冲成分往往淹没在其他频率分量中,早期故障特征难以有效提取的问题,提出一种自回归最小熵解卷积(AR-MED)共振特征增强的风电齿轮箱故障诊断方法,并结合一维卷积神经网络(1DCNN),实现齿轮箱高精度故障诊断。首先,使用共振稀疏分解算法(RSSD)将振动信号分解成含有噪声和谐波成分的高共振分量和含有故障冲击成分的低共振分量;其次,对低共振分量使用自回归最小熵解卷积运算,增强低共振分量中微弱的周期性冲击成分;最后,构建自回归最小熵解卷积共振特征增强的1DCNN模型,将分解得到的谐波分量和周期性冲击分量进行特征融合以及有针对的训练和分类。实验结果表明,与现有故障诊断模型相比,所提方法在提取风电齿轮箱的故障特征信息以及提高故障诊断精度方面具有有效性和优越性。

斜齿轮啮合弯矩对风电齿轮箱行星轮滑动轴承瞬态润滑性能影响分析

风电齿轮箱行星轮滑动轴承常被设计为以行星轮内孔和销轴分别作为轴套和轴颈,然而斜齿轮啮合弯矩容易使行星轮与销轴之间产生轴线不对中,导致边缘接触风险高,影响运行寿命。以6 MW级传动链齿轮箱行星轮滑动轴承为研究对象,考虑滑动轴承径向载荷、弯矩以及转速的动态影响,建立了行星轮滑动轴承瞬态摩擦-动力学耦合模型,并以风电机组传动链SIMPACK动力学模型提取的行星轮动态啮合力与时变转速作为行星轮滑动轴承的载荷与运动边界输入,分析了斜齿轮啮合弯矩、输入扭矩和滑动轴承半径间隙对行星轮滑动轴承润滑性能的影响规律,并进行了实验验证。研究结果表明,行星轮动态啮合力及其产生的啮合弯矩会造成行星轮轴心位置与偏斜角产生动态循环变化,并且随着载荷的增加,行星轮滑动轴承油膜/固体接触压力与不对中弯矩会逐渐增大;减小行星轮滑动轴承半径间隙可以有效提高其瞬态润滑性能。

复合故障下风电齿轮箱声音信号耦合调制模型辨识与故障诊断

针对两级行星一级平行齿轮箱不同位置受损导致的复合故障,提出一种声音信号耦合调制模型,以辅助专家进行故障诊断。当风电齿轮箱发生复合故障时,其特征频率会以调幅和调频的形式影响不同轮系的啮合频率,为此,本文提出了复合故障下风电齿轮箱声音信号幅值耦合调制模型;利用模型参数辨识思路,确定所提耦合调制模型中不同轮系的调幅系数,并通过构建边带能量比指标,用于评价辨识效果;最后,利用声音信号耦合调制模型的重构谱,确定复合故障位置,实现具有辅助性质的故障诊断。实验与现场数据分析表明:用于评价辨识结果的边带能量比指标分别为0.948,0.972,0.977和0.9643,有效说明了模型辨识的有效性,为齿轮箱复合故障自动诊断奠定了基础。

考虑齿面闪温的风电齿轮箱裂纹故障特征分析

为了研究齿面闪温对风电齿轮箱裂纹故障时系统动力学响应的影响,利用Blok闪温理论分析齿轮啮合时的齿面温度,应用热变形公式计算齿廓形变,进而通过Hertz接触理论获得计及齿面闪温影响的轮齿刚度。考虑齿面闪温、阻尼、时变啮合刚度、综合啮合误差和齿侧间隙,建立含有高速级齿轮齿根裂纹的齿轮箱扭转动力学模型。通过时域图、频谱图、相图和Poincaré截面分析不同裂纹长度下系统振动特性随齿面闪温变化的规律,并比较裂纹故障仿真与实验的时频域结果。结果表明:齿面闪温使时域图上裂纹产生的冲击幅值增大、频域图中故障边频结构更为复杂、相图曲线向外扩展以及Poincaré截面离散点增多,且变化均随裂纹长度的增加越为明显。研究结论可为齿轮裂纹故障状态的诊断与监测提供依据。

基于MATLAB的两级NW型风电齿轮箱传动系统参数多目标优化

针对由两级NW型行星轮系串联构成的一种新型兆瓦级风电齿轮箱传动系统,建立体积最小和效率最高的多目标优化数学模型。设定两级行星轮数量,并形成5种方案。借助MATLAB工具成功求解并对比5种方案结果,得出结论:当两级行星轮数量为3时,该方案达到最优状态,符合常见的行星轮数量要求。

风电齿轮箱振动信号耦合调制建模与应用

风电齿轮箱不同轮系间存在的耦合调制现象干扰了实际故障诊断,为此,针对两级行星一级平行结构的齿轮箱提出一种考虑级间耦合调制的现象学模型。首先,在风电齿轮箱振动信号幅值、频率解调分析基础上,定义了多级传动下的级间串联调制特性,并提出幅值-频率级间串联调制模型;通过构造多级调幅信号和调频信号,在频谱和解调谱中对串联调制特性进行仿真分析,并提出耦合调制特性边带能量指标用于模型评价;设计了与现场齿轮箱具有相同结构的缩比齿轮箱实验台,并在正常与故障状态下进行实验、现场联合分析,验证级间串联调制模型的有效性。结果表明:频率耦合调制现象在四种状态下尤为明显,其耦合调制特性边带能量分别为1.02、1.04、1.18、1.25。本模型所反映的齿轮箱级间耦合调制现象是齿轮箱本身所有,不会因齿轮箱的状态而发生改变,本模型为提高风电齿轮箱故障诊断准确性提供参考。

环境参数对风电齿轮箱传动系统疲劳损伤的影响

在风电机组全寿命周期内,长期风速概率分布会使风电齿轮箱传动系统动载荷出现随机特性,影响其疲劳损伤预估精度。笔者提出了一种考虑长期风速概率分布特征的风电齿轮箱传动系统疲劳损伤预估方法,通过建立大功率海上风电机组OpenFAST-SIMPACK联合仿真模型,计算不同平均风速与湍流强度组合工况下的风电齿轮箱传动系统齿轮短期疲劳损伤,进而采用代理模型技术重构“平均风速、湍流强度-短期疲劳损伤”映射关系,预测齿轮长期疲劳损伤。研究结果表明:风电齿轮箱传动系统低速级太阳轮容易发生接触疲劳失效;在额定风速以下,低速级太阳轮短期疲劳损伤与平均风速呈正相关,在额定风速附近,平均风速与湍流强度的随机特性均会增大其长期疲劳损伤不确定性,增大其疲劳失效风险。

大型风电齿轮箱宏观参数优化设计

在大兆瓦级风电齿轮箱设计中,为了提高功率密度同时又尽量减小振动噪声,提出一种齿轮宏观参数优化设计方法。以功率密度、啮合刚度为优化目标,抓住最主要的影响因素,建立多目标优化模型,在模型函数中综合考虑重合度、啮合刚度、齿轮强度与宏观参数设计的关系,得出高效可行的优化方法。对5MW风机高速级齿轮优化结果进行对比,该优化方法在保证齿轮强度条件下,可有效增加啮合刚度,减小传递误差,提高动力学性能,与试验结果对比,降低噪音值4%左右。

极端服役多工况风电齿轮箱箱体轻量化设计

风电齿轮箱箱体轻量化设计对降低风机成本、提升风机功率密度及结构力学性能具有重要意义。受极端风况及气候条件影响,箱体长期遭受来自传动系统的无规律载荷冲击,导致优化设计过程中面临工况覆盖不全面、模型简化不合理以及材料利用率低等问题;因此,在考虑多种极端服役工况作用与模型合理等效的基础上,对箱体进行轻量化设计。基于模态试验对模型准确性验证的前提下,以箱体最小质量为优化目标,不同极限工况下箱体最大应力为约束条件,对箱体组成部件中主壳体、过渡板和后壳体进行了多工况优化设计,并对改进前后箱体性能进行对比。结果表明,优化后箱体的质量减小了4.7%(549.8 kg),不同工况下最大位移和应力均大幅度减小。轻量化设计的同时提高了箱体的强度与刚度,可为风电齿轮箱的设计改进提供参考。

基于CWT和优化Swin Transformer的风电齿轮箱故障诊断方法

针对传统故障诊断方法在风电齿轮箱运行故障诊断应用上的不足,提出一种基于小波变换(continuous wavelet transform, CWT)和优化Swin Transformer的风电齿轮箱故障诊断方法。该方法利用小波变换将风电齿轮箱振动信号转换为时频图;使用SuperMix数据增强算法对样本进行扩充;利用迁移学习技术将模型预训练参数用于训练和优化Swin Transformer模型;将训练完成的优化Swin Transformer模型应用于风场实际运维数据进行对比验证,分类准确率达到99.67%。验证结果表明该方法能够有效地实现风电齿轮箱故障诊断,并提高模型的识别准确率。

风电齿轮箱太阳轮断齿研究

分析讨论了太阳轮的断齿原因。SEM结果表明:在断裂面疲劳源处,有大量的非金属夹杂物聚集,金属基体的连续性被夹杂物破坏,这样会造成局部的应力集中,从而萌生裂纹,最终导致太阳轮疲劳断齿。

风电齿轮箱滑动轴承润滑性能及可靠性分析

风电齿轮箱采用滑动轴承代替滚动轴承是未来发展的主流趋势,然而由于复杂多变的服役工况,风机滑动轴承的润滑规律尚有待深入研究。为此,建立风电齿轮箱滑动轴承的润滑分析模型,仿真分析多种工况下滑动轴承的润滑状态,并拟合出滑动轴承的最小膜厚经验公式;结合润滑可靠性理论,基于最小膜厚公式建立润滑可靠性模型,并采用该模型研究风机在启动和停机工况下齿轮箱滑动轴承的润滑性能;提出一种风电齿轮箱滑动轴承的润滑可靠性分析方法,分析风电齿轮箱滑动轴承的润滑可靠性。结果表明:启动过程中滑动轴承的最小膜厚先快速增大,随后迅速下降直到稳定状态,而停机过程中最小膜厚则迅速降低;停机工况下滑动轴承的润滑失效时长要高于启动工况;外载荷方向对启动工况的润滑失效概率影响较大,对停机工况的影响较小。

风电齿轮箱磨损故障建模与分析

为获得磨损故障状态下风电齿轮箱的传动特性,开展仿真实验研究。以MW级风电齿轮箱为研究对象,基于SolidWorks与ADAMS建立相应的虚拟样机,在合理设置仿真参数的基础上,进行健康和两种中间级行星轮磨损状态的动力学仿真。结果表明:通过监测风电齿轮箱高速级小齿轮的角加速度信号,可以判定中间级行星轮是否存在磨损故障;中间级行星轮磨损故障状态下,高速级小齿轮角加速度信号的故障频率幅值随着磨损程度的增大而增大,啮合频率的幅值随着磨损程度的增大而减小;高速级小齿轮角加速度信号的边带啮合频率幅值比可以作为中间级行星轮磨损故障的判别依据,通过该值可以监测磨损故障的变化趋势。

风电齿轮箱应用吸附式过滤器的可行性探析

风机齿轮箱齿轮油金属磨粒超标造成齿轮箱故障多发,标配的纤维质网篦式滤芯无法有效滤除齿轮油中的污染物。吸附式可以解决这些问题,具有滤除效率高、使用寿命长、不滤除有效添加剂、不产生有害废弃物的优点。本文以某公司为例,对风电齿轮箱应用吸附式过滤器的可行性展开分析。

风电齿轮箱散热系统优化设计

风能作为一种可再生能源,在全球能源结构转型中发挥着重要作用。然而,风电齿轮箱在运行过程中会产生大量热量,若无法有效散热,将导致润滑油黏度下降、齿轮和轴承磨损加剧,进而影响齿轮箱的使用寿命和风电机组的可靠性。文章提出一种齿轮箱散热系统优化方案,通过设计高效散热片、优化风道和油路系统、应用高效油泵等,显著提升齿轮箱的散热效率和温度均匀性。模拟实验结果表明,优化后,齿轮箱温度分布更加均匀,散热性能显著提高,为风电机组的稳定运行提供了可靠保障。

风电齿轮箱润滑冷却系统结构优化

通过了解风力发电机组齿轮箱运行故障及风险,结合齿轮箱润滑、冷却系统工作原理,提出对润滑、冷却系统进行优化设计;根据实际情况选择合理的优化方案,优化冷却器的设计、油泵和过滤器的配置、润滑冷却系统的控制策略以及润滑油的选择等,从而降低齿轮箱故障,避免齿轮箱因轴承超温或者轴承磨损导致风力发电机组停机,同时延迟齿轮箱及润滑油使用寿命。

Romax刚柔模型对风电齿轮箱行星轮轴承寿命的影响

国内外的工程实践表明,在风机齿轮箱的所有零部件中,行星轮轴承是最薄弱的一环。因此,对轴承进行正确分析计算是保证齿轮箱可靠性的重要手段。该文通过Romax强大的齿轮箱轴承分析功能,利用经典的切片分析方法,考虑轴承内外圈的倾斜,滚子凸度等因素,分别建立刚性与柔性的风电齿轮箱行星轮轴承模型,比较轴承的ISO 281及ISO/TS16281寿命及接触应力结果。研究结果表明,柔性模型比刚性模型的轴承载荷更大,且柔性模型上下风向轴承具有更大的偏载。从单列的最大滚子载荷与应力结果中可以看到,柔性模型改变了列间的受力分布,柔性模型比刚性模型的最大滚子应力大,柔性模型的内外圈出现了更大的倾斜。滚子的承载区刚性模型位于滚子中间位置,而柔性模型向滚子端部偏移。在轴承寿命的结果对比中,柔性模型的最低寿命也仅相当于刚性模型的1/2。相比刚性模型,柔性模型具有更高的准确性,但是齿轮箱开发前期刚性模型的计算也有其不可替代的优势。

风电齿轮箱油温高原因及解决方法

风电齿轮箱油温过高是一个常见的问题,可能导致油液老化和齿轮箱寿命的缩短。造成油温过高的主要原因有工作负载过大、过热的环境条件和油液循环不畅等。本文将主要研究风电齿轮箱油温高原因及解决方法,提出部分解决方案可以有效地降低齿轮箱油温,延长齿轮箱的寿命,提高风电设备的可靠性和效率。