变载荷齿轮箱状态监测技术研究

变载荷齿轮箱状态监测技术研究

马进勇

马进勇

身份证号码：320621198XXXX78331江苏南京210012

摘要：本文主要针对变载荷齿轮箱状态监测展开分析，思考了变载荷齿轮箱状态监测的方法和监测的技术方式，可以为今后的变载荷齿轮箱状态监测工作带来参考。

关键词：变载荷齿轮箱；状态监测；技术

前言

在变载荷齿轮箱状态监测的过程中，一定要采取比较可行的监测的方法和技术措施，才能够让监测工作更加富有效果，这也是提高变载荷齿轮箱状态监测的质量的重点之一。

1、状态监测技术

状态监测技术是在设备管理和维修的基础上发展起来的，主要通过对动设备振动参数、性能参数、工艺参数等数据进行采集、监测、分析，评估设备当前状态正常或异常与故障之间的关系，及时掌握设备实际运行状态，对设备存在的潜在故障及时预警以预测未来发展趋势。就其技术手段而言，已逐步形成包含振动监测、油样分析、温度监测和仿真建模等多参数为主的综合性分析监测技术。计算机硬件技术的发展以及软件技术的日新月异，极大地促进了信号分析与处理技术的提升，从而进一步推动了状态监测技术向着科学化和实用化的方向发展。总之，通过状态监测技术的实施，对关键设备如泵组、风机等潜在故障适时维护、维修，保证泵组和风机运行状态的稳定性与可靠性。

2、齿轮箱变工况故障诊断与状态监测

2.1信号预处理

齿轮箱结构涉及较多传动部件，导致振动信号较为复杂。因此，对信号进行预处理、压制噪声，根据需要提取信号中的有用部分十分必要。

传统的滤波方法无法保证同时提高信噪比和空间分辨率，低通滤波可抑制高频噪声，但会使信号失真，漏失一些高频的早期故障信息;高通滤波则无法去除高频背景噪声成分;经验模式分解方法(EMD)降噪由于存在模态混叠，本征模态分量的物理意义不明确，因而难以确定有效的规则区分噪声信号和有用信号;小波变换有较好的降噪效果，但是其中心频率和变换尺度等参数的优化选择需有一定经验，虽然可以通过一些方法进行优化，但是实际应用却略显复杂，而且小波降噪的阈值选取不当有可能造成有效信号丢失;基于奇异值分解的降噪方法本质是相空间重构，由重构吸引子反映系统的动力学特性，利用奇异值分解的特性来降低振动信号中的噪声也能达到较好的效果，而且实现起来比小波变换更为简便。

2.2小波变换与特定频段选择

小波分析十分适合非平稳信号，它可将信号分解到不同的频段之中。齿轮箱正常运行时，齿轮的啮合频率及其边频带占信号的主要成分，出现故障时故障频率和特征才会突显出来。Morlet小波和Daubechies小波是目前最常用的2种小波变换，在齿轮箱故障诊断中结合Hilbert变换使用了Daubechies小波包，取得了较好的效果。

齿轮箱的故障特征信号集中在各个轴的工频、齿轮的啮合频率、轴承的特征频及这些频率的倍频的边频带中。针对齿轮的诊断和监测，最需要关注的频段是啮合频率的倍频及其边频带。

3、基于多参数融合的齿轮箱综合状态监测与评估

在该研究方向，大多数研究是在风电SCADA系统运行数据基础上进行开展的。齿轮箱SCADA系统中包括的物理特征量有:角度、压力、温度、速度、机舱振动、电气等，通过分析这些运行数据，可以反映整机的运行状态。目前，关于齿轮箱多参数融合的状态监测和评估方法，包括人工神经网络、高斯混合模型参数估计、物元分析、模糊综合评判等。其中，由于模糊综合评判方法不需要过多依赖试验数据的分析，利用模糊数学理论从技术经济指标、功能设置、可靠性和维修性这4个指标综合评判了齿轮箱的设计性能，但难以有效地反映机组实时运行状态。在应用模糊综合评判时指出各评判指标赋予权重是建模的关键，而传统的变权理论在2项或多项指标发生严重偏离时，不能较好地实现对各评判指标的权重进行赋值。有学者虽然采用了层次分析法对评判指标赋予常权值，但是常权值的选取不能准确有效地反映机组运行状态。针对子项目层中存在多项评判指标同时发生严重偏离的情况，引入劣化度指标，建立模糊综合评判的流程图，评估流程，通过劣化度对监测数据进行量化，结合层次分析法确定权重，采用模糊综合评判方法，构建齿轮箱在线状态评估方法，并基于某850kW齿轮箱在线监测数据，验证了所建的齿轮箱运行状态评估方法是有效的。有学者考虑了影响评估指标的劣化度g的因素，提出了齿轮箱运行状态评估的改进模型。模糊综合评判方法是根据评估指标对评估对象本身存在的性态或类属上的亦此亦彼性，从数量上对其所属程度给予刻画和描述。物元分析理论不仅能从数量上反映被评估对象存在状态的所属程度，而且能从数量上刻划何时为此性态与彼性态的分界。并提出应用物元分析理论的关联函数来计算各评估指标潜在的优劣程度，结合可拓集合中的关联函数，建立了齿轮箱运行状态的物元评估模型。

4、齿轮箱状态监测的发展

近年来，风能在世界能源结构中地位越来越突出，风电将逐步成为火电、水电之后的第三大常规能源。随着我国大型海上风电建设规划相继启动和现运行的大部分齿轮箱质保期逐渐超出或邻近超出，高故障发生率和高运维成本的现状越来越引起风电运营商、制造商和第三方运维公司等机构的关注。相比陆地齿轮箱，海上齿轮箱将面临更恶劣的运行环境和更高的运行维护成本。据统计，海上齿轮箱的维护成本至少为陆上齿轮箱的2倍，运维成本高达经济收入的30%~35%，其中约25%~35%为定期维护费用，65%~75%为事后维修费用。随着单机容量不断增加，大功率齿轮箱的复杂性程度增加，将会面临更高的故障率和运维费用。为了降低故障率和减少维修费用，开展齿轮箱的状态监测和故障诊断研究，对及时掌握齿轮箱运行状态，及早发现潜在故障征兆，降低故障率，减少运维成本，从而保证齿轮箱安全高效发电运行有着重要学术研究意义和工程应用价值。

鉴于齿轮箱对状态监测和故障诊断的急迫需求，国内外相继出台了标准规范，如2009年欧盟推出了关于《风力机及其部件的机械振动测试与评估标准VDI3834》;2011年国家能源总局提出《风力发电机组振动状态监测导则》。上述标准主要是针对齿轮箱关键部件的振动特征量制定的规范要求，对于实现全面的齿轮箱状态监测和故障诊断的要求还远远不够。与传统火电、水电机组相比，齿轮箱在高空运行，是多部件协同工作的复杂系统，监测特征量类型多、数量大，受风速大小和风向的不确定性以及变速恒频发电控制的约束，运行状态通常在不同工况之间随机频繁切换，各类特征量随机波动范围较宽，利用单一或几个特征量采用传统状态监测和故障诊断方法，难以得到齿轮箱真实的运行状态和实现准确故障定位。基于上述齿轮箱特殊性，有必要了解齿轮箱状态监测和故障诊断领域研究现状，综述该领域的研究方法和成果，进一步促进该领域研究的开展。

目前，齿轮箱状态监测和故障诊断领域的研究处于起步阶段，已有的研究成果中，对于整机的研究侧重于状态评估和故障预测，对于机组的关键部件研究侧重于故障诊断。

4、结束语

综上所述，确保变载荷齿轮箱状态监测技术的效果，就要知道变载荷齿轮箱状态监测的方法和具体的方案，才能够让变载荷齿轮箱状态监测更加符合我们的要求。

参考文献：

[1]张帅.风电齿轮箱状态监测与故障诊断系统研究[D].浙江大学，2017.09

[2]梁锋.通用性齿轮箱状态监测与故障诊断系统的研究[D].重庆大学，2018.45