【摘 要】
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随着全球能源短缺、生态环境恶化等问题日益加剧,风能作为绿色可再生能源在世界各国得到了迅速发展。齿轮箱作为风电机组关键部件,在长期变速、重载、频繁冲击等恶劣服役工况下极易出现裂纹、磨损、断齿等齿轮故障,故障一旦产生,零部件间的级联效应极有可能导致整个传动系统功能丧失,带来巨大的经济损失。风电齿轮箱的振动信号蕴含了丰富的健康状态关键信息,如何准确的揭示系统振动信号产生机理,明确振动信号故障特征规律,对
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“退役复杂机电产品多级回收检测评估技术（2020YFB1712903）”； 山东省重点研发计划项目“随机风载作用下风力发电机行星齿轮传动系统损伤建模及早期故障特征提取技术研究（2017GGX30148）”；
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随着全球能源短缺、生态环境恶化等问题日益加剧,风能作为绿色可再生能源在世界各国得到了迅速发展。齿轮箱作为风电机组关键部件,在长期变速、重载、频繁冲击等恶劣服役工况下极易出现裂纹、磨损、断齿等齿轮故障,故障一旦产生,零部件间的级联效应极有可能导致整个传动系统功能丧失,带来巨大的经济损失。风电齿轮箱的振动信号蕴含了丰富的健康状态关键信息,如何准确的揭示系统振动信号产生机理,明确振动信号故障特征规律,对实现关键部件故障诊断,保证设备安全可靠运行,避免重大事故发生具有重要意义。然而,对于风电齿轮箱故障诊断实际工程应用需求,目前仍然存在两大难点尚未得到有效解决:（1）大多数风电齿轮箱振动信号模型是基于动力学方法并对特定参数系统提出的,严重依赖于系统参数的确定性和准确度,导致建模方法效率低、普适性差。（2）实际的工业风电齿轮箱往往是由定轴轮系和行星轮系组成的多级齿轮传动系统,大多数振动信号模型并没有考虑多级齿轮系统中各级振动之间的耦合及复杂的路径时变因素的影响,导致振动信号中出现的“异常”特征无法溯源归因,引起误诊。面对以上难点问题,本文以典型的“一级行星+两级定轴”结构风电齿轮箱为研究对象,以实现基于故障特征表征的典型故障高效诊断为研究目标,对风电齿轮箱振动信号唯象建模及故障特征解析进行了系统的研究。根据风电齿轮箱运行特点、振动信息传递模式、故障演化规律并结合试验观察所建立的振动信号唯象模型仅需要系统基本参数便可从宏观上揭示振动信号特征规律,建模效率高、普适性强,同时可提供“故障特征为什么产生”以及“故障特征是什么”等问题的答案,为故障诊断提供了理论基础与基本方法。论文的主要研究内容如下:（1）定轴轮系振动信号调制机理与唯象模型改进。定轴轮系一对齿轮副的振动信号模型是研究其他复杂齿轮系统的基础。实际中,轴不对中、齿轮均匀磨损等分布式故障与断齿、齿根裂纹、齿顶剥落等局部故障,二者不仅在物理分布上不同,在振动信号中也往往表现出不同的调制特征,而传统的齿轮副AM-FM振动信号模型存在无法有效诊断区分出齿轮局部故障与分布式故障的局限性问题。为此,基于建立的考虑位移误差激励和时变啮合刚度激励的齿轮副动力学模型,将系统运动微分方程转化为具有不同激励力的线性系统,根据系统激励力的频率特征,利用线性系统频率保持特性推导出系统在正常工况、分布式故障、局部故障、复合式故障下的振动响应信号特征变化规律,揭示了振动信号调制机理及振动特征产生机制,解析了各频率成分的产生来源。基于此,提出了齿轮副改进型AM-FM振动信号唯象模型,为其他复杂系统的振动信号产生机理及唯象建模研究提供了依据。（2）行星轮系正常工况下振动信号唯象建模及振动特征分析。首先对影响行星轮系即便在正常工况下也存在复杂振动响应的两大因素进行分析和建模:基于齿轮啮合机理,建立了以初始啮合点为基准点的啮合副相位模型,获得了各啮合副的相位关系;通过对行星轮系中时变传递路径详细分析,引入振动衰减理论,提出了基于齿轮箱属性和调制现象的两种传递路径效应模型。基于此,建立了考虑齿轮副相位差、时变传递路径效应、行星轮位置及承载特性的行星轮系正常工况下振动信号唯象模型,基于唯象模型推导了啮合频率谐波调制边带的频率特征分布规律,揭示了正常行星轮系频率特征产生机制。（3）行星轮系齿轮故障下振动信号唯象建模及故障特征分析。基于定轴轮系典型故障振动信号唯象建模及行星轮系正常工况下齿轮副相位及时变传递路径效应的研究成果,综合考虑齿轮副相位差、时变传递路径效应、行星轮位置及承载特性等因素,建立了太阳轮、齿圈、行星轮分别存在分布式故障与局部故障时的行星轮系振动信号唯象模型,基于唯象模型推导出各构件在不同故障模式下的故障特征变化规律,并解析出各频率成分产生机理,阐明了基于振动信号特征的典型故障识别与表征机制。（4）风电齿轮箱多级齿轮传动系统振动信号唯象建模及故障诊断策略。将定轴轮系与行星轮系的振动信号调制机理与唯象建模研究成果应用到风电齿轮箱多级齿轮传动系统中,提出了多级齿轮传动系统等效传递路径效应函数模型;发现了多级齿轮传统系统级间啮合频率调制现象,提出了啮合点处振动的ISMFM模型,解释了级间啮合频率调制边带产生的原因。基于此,建立了考虑级间振动耦合与时变传递路径效应的风电齿轮箱振动信号唯象模型,推导了不同健康状态下对应不同传感器测点的振动信号特征变化规律,揭示了级间啮合频率调制边带及传递路径效应调制边带产生机理,避免了由于频率成分来源不清导致的故障误诊问题。本文中利用试验台架与工业风电齿轮箱不同齿轮故障条件下的实测振动信号,一方面验证了所提出的系列振动信号唯象建模的正确性,同时基于振动信号特征对齿轮进行了故障诊断。研究上述风电齿轮箱振动信号唯象建模理论与方法,明晰振动信号故障特征变化规律,实现关键部件故障诊断,对保证风电设备安全运行,提高发电效率,缓解能源困境,助力绿色可持续发展具有重要意义。同时,本文提出的振动信号唯象建模思想和策略不仅适用于本文研究的风电齿轮箱,同样适用于其他类似结构的多级齿轮传动系统,对其振动信号建模研究提供理论借鉴。
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