CN105548595B - 一种提取风电齿轮箱各级轴转速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提取风电齿轮箱各级轴转速检测方法，其包括如下步骤：1、用振动传感器采集齿轮箱结构振动信号；2、对振动信号除趋势项和低通滤波降采样处理；3、对降采样处理后的振动信号短时傅里叶变换，得到反映振动信号时频特征的时频谱；4、对时频谱中峰值最突出的频率成分时频域滤波和掩膜处理；5、对掩膜处理后的时频谱短时傅里叶逆变换，得该特征频率成分随时间变化的信号，求该信号的时变瞬时频率；6、根据齿轮箱各级齿轮的参数关系，确定该频率成分属于齿轮箱哪一级传动轴的旋转频率或啮合频率，换算得其它各级轴的转频和啮合频率。本发明的优点是不受齿轮箱各级轴转速变化影响，可有效抑制宽频带干扰噪声，得到精确的瞬时转速。

Description

一种提取风电齿轮箱各级轴转速检测方法

技术领域

本发明涉及一种提取风电齿轮箱各级轴转速检测方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，我国为了解决日益严重的资源紧缺、环境污染等问题，风电实现高速发展。到2014年底，全国范围的风电装机容量达到1.15亿千瓦，投入资金数千亿元，建成投运风电机组数万台。在这些风电机组中，带齿轮箱增速的双馈式风力发电机组占有较大比例。这种结构形式的风电机组中，齿轮箱是关键部件之一，起到传动扭矩和增速作用。由于风电齿轮箱具有传递功率大、结构复杂紧凑、运行工况多变、环境条件差、维护维修困难等特点，因此在投运以后故障率远远高于其它类型发电设备，实际使用寿命远远低于设计寿命，维修费用也远远高于其它工业设备用的齿轮箱。用先进的监测技术手段对风电齿轮箱在出厂整机试验及实际运行状态进行监测分析，获取齿轮箱在运行过程中的各种状态信息及故障信息，对于改进风电齿轮箱的制造及运行维护水平，降低故障率，提高风电的经济性和市场竞争力，具有重要意义。

目前，投运的大型并网双馈式风电机组多数是变速恒频式的风电机组，其风轮及传动系统的转速随着风速的变化而连续变化，以获取最大风能。风电齿轮箱一般采用多级复合轮系结构实现大功率、大增速比传动。最典型的两种齿轮箱传动结构形式是一级行星轮加两级平行轴结构和两级行星轮加一级平行轴结构。这种多级复合轮系结构在变速变载运行状态下，可能出现故障的部位多，故障状态下的齿轮箱振动响应特性复杂，包含丰富的与各级传动轴转速相关的频率成分，不同的频率成分对应不同的故障类型和部位，是实现齿轮箱故障精确定位的重要信息，因此实现齿轮箱各级传动轴的转速变化信息的精确检测对于快速精确诊断齿轮箱故障非常重要。

通常风电机组监控系统中已有用于运行状态监控的发电机转速测量信号。为了避免干扰机组运行监控，这一转速信号通常不提供给其它系统。在当前技术状态下，风电机组传动链状态监测系统(CMS系统)是选配系统，在整机制造完后加装。根据相关标准，CMS系统中需要带有转速测量通道，用于精确故障定位的转速信号需要自身解决，通过在低速轴或高速轴部位加装转速测量系统实现转速测量。由于风电机组的传动系统结构紧凑，往往没有合适的转速测量系统安装位置，给转速信息的获取带来困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种提取风电齿轮箱各级轴转速检测方法，解决了传统风电场风电机组齿轮箱在不安装转速测量装置的情况下，转速信息无法获取的问题，通过对齿轮箱变速运行过程中通过对风电机组齿轮箱振动监测信号进行分析处理，从中获取故障诊断所需要的齿轮箱各级转速信息的方法。本发明所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1、用振动传感器采集齿轮箱结构振动信号；

步骤2、对步骤1中得到的所述振动信号进行除趋势项和低通滤波降采样处理；

步骤3、对步骤2中降采样处理后的振动信号进行短时傅里叶变换，得到反映振动信号时频特征的时频谱，其包含齿轮箱各级轴的旋转频率和啮合频率成分及其随时间变化的信息；

步骤4、对步骤3中的所述时频谱中峰值最突出的频率成分进行时频域滤波，再进行掩膜处理，即利用掩膜函数提取信号时频谱中该频率随时间变化的信息，将其它时频成分在时频域中滤除；

步骤5、对经过掩膜处理的时频谱进行短时傅里叶逆变换，得到该特征频率成分随时间变化的信号，求该信号的时变瞬时频率；

步骤6、根据齿轮箱各级齿轮的参数关系，确定该频率成分属于齿轮箱哪一级传动轴的旋转频率或啮合频率，进一步换算得到其它各级轴的转频和啮合频率。采用本发明所产生的有益效果在于：

1)本发明由于采用时频域滤波分析方法，不受齿轮箱各级轴转速变化的影响；

2)本发明在时频域提取能量最大的频率成分，可以有效地抑制宽频带干扰噪声的影响，得到比较精确的瞬时转速。

3)本发明可以直接借助风电机组在线CMS系统的振动监测信号，不需要在被检测设备上另外安装硬件设备，方便实施；

4)本发明可以拓展现有在线状态监测系统的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

附图1为齿轮箱各级轴转速检测识别方法的原理框图。

附图2为仅保留了希望提取频率成分的时频谱图。

附图3为滤波后的时域信号图。

附图4为滤波后的时频谱图。

其中，1振动传感器，2齿轮箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图1-4和具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。

本实施例提供了一种提取风电齿轮箱变速运行过程各级转速的方法，通过对风电机组齿轮箱2振动监测信号进行分析处理，从中获取故障诊断所需要的齿轮箱2各级转速信息。齿轮箱2各级转速信息测量获取估计方法的基本原理是，风电机组齿轮箱2在运行过程中，其产生的振动激励主要源自各级传动轴的旋转不平衡力、各级齿轮副啮合作用力以及滚动轴承等其它接触受力部位的作用力。这些作用力共同作用产生齿轮箱2的结构振动响应。因此齿轮箱2结构振动响应信号中包含各级齿轮传动轴的旋转频率和啮合频率成分。随着风轮转速的变化，各级传动轴转速对应的振动频率和幅值发生相应变化。通过安装在齿轮箱2箱体结构上的振动传感器1采集齿轮箱振动信号，对振动响应信号进行分析处理，降低信号中转速信息无关的各种干扰噪声成分，就可以识别出各级传动轴及齿轮啮合副的特征频率成分，经过计算得到齿轮箱2各级传动轴的转速信息。振动信号检测分析方法如图1所示。

本实施例的具体步骤如下：

(1)将振动传感器1，在此选择振动加速度传感器安装在风电机组齿轮箱上，当风电机组并网运行时，连续采集一段齿轮箱振动离散信号，记作x(n)，该信号中包含了齿轮箱2内部各级齿轮传动轴的旋转频率和啮合频率信息。

(2)对振动信号进行去趋势项、低通滤波和降采样预处理，记作取滤波截止频率高于齿轮箱高速级在最高转速下的啮合频率f_z3m，降采样处理后的采样频率应满足满足f_s≥2.56f_z3m。信号降采样处理的目的是降低计算工作量，提高信号处理的速度和实时性。

(3)对经过预处理后的振动信号进行离散短时傅里叶变换，得到信号的时频谱S_x(m,k)。离散短时傅里叶变换的表达式如下式(1)：

式(1)中，g(n)为窗函数；

m为FFT分析点数；

N为窗函数移动间距；

L为数据长度；

M为谱计算个数。

(4)从时频谱S_x(m,k)中提取某个随着时间变化的突出峰值对应的离散频率点位f(n)。为此以该突出峰值在初始时刻的频率为起点，自动搜寻下一时刻的峰值，确定相应的频率点位，最终得到随时间变化的峰值频率点位f(n)。取以f(n)为中心频率的随时间变化的窄频带f(n)±Δf，构造一个时频掩模函数M_m,n，频带内取值为1，频带外取值为零。将掩膜函数与信号时频谱进行点乘，计算公式如下式(2)：

经此掩膜函数处理后的时频谱中保留了希望提取的频率成分f(n)，将其它时频成分在时频域中滤除，如图2所示。

(5)对进行离散短时傅里叶逆变换，得到经过时频域滤波后的时域信号x'(n)，该信号中理论上只包含了某个随时间变化的单一频率成分。

离散短时傅里叶逆变换公式如下式(3)：

(6)求信号x'(t)的瞬时频率，即可得到比较精确的随时间变化的频率函数f(n)。根据齿轮箱2各级齿轮的参数关系，可以确定该频率成分属于齿轮箱2哪一级传动轴的旋转频率或啮合频率，进一步换算得到其它各级轴的转频和啮合频率。

本方法解决了风电机组齿轮箱2在不安装转速测量装置的情况下，转速信息无法获取的问题，通过对齿轮箱2变速运行过程中通过对风电机组齿轮箱2振动监测信号进行分析处理，从中获取故障诊断所需要的齿轮箱2各级转速信息的方法。

本方法解决了传统风电机组由于传动系统结构紧凑，一般没有合适的转速测量系统安装位置，转速信息获取困难的问题。同时节省了转速测量元件、减少了转速测量通道。

由于风电机组齿轮箱2的传动系统结构紧凑，往往没有合适的转速测量系统安装位置，给转速信息的获取带来困难，无法实现故障的精确定位。通过本发明可以直接借助风电机组在线CMS系统的振动监测信号，检测齿轮箱2的各级转轴转速，不需要在被检测设备上另外安装硬件设备，方便实施。节省了转速测量元件和转速测量通道。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种提取风电齿轮箱各级轴转速检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、用振动传感器(1)采集齿轮箱(2)结构振动信号；当风电机组并网运行时，连续采集一段齿轮箱振动离散信号，记作x(n)，该信号中包含了齿轮箱(2)内部各级齿轮传动轴的旋转频率和啮合频率信息；

步骤2、对步骤1中得到的所述振动信号进行除趋势项和低通滤波降采样处理，记作取滤波截止频率高于齿轮箱高速级在最高转速下的啮合频率f_z3m，降采样处理后的采样频率应满足满足f_s≥2.56f_z3m；

步骤3、对步骤2中降采样处理后的振动信号进行离散短时傅里叶变换，得到反映振动信号时频特征的时频谱S_x(m,k)，其包含齿轮箱(2)各级轴的旋转频率和啮合频率成分及其随时间变化的信息；离散短时傅里叶变换的表达式如下式(1)：

式(1)中，g(n)为窗函数；

m为FFT分析点数；

N为窗函数移动间距；

M为谱计算个数；

步骤4、对步骤3中的所述时频谱S_x(m,k)中峰值最突出的频率成分进行时频域滤波，利用掩膜函数提取信号时频谱中该频率随时间变化的信息，以该突出峰值在初始时刻的频率为起点，自动搜寻下一时刻的峰值，确定相应的频率点位，最终得到随时间变化的峰值频率点位f(n)，取以f(n)为中心频率的随时间变化的窄频带f(n)±Δf，构造一个时频掩模函数M_m,n,利用如下公式(2)将掩膜函数与信号时频谱进行点乘，经此掩膜函数处理后的时频谱中保留了希望提取的频率成分f(n)，将其它时频成分在时频域中滤除；

式(2)中，M_m,n为掩模函数，频带内取值为1，频带外取值为零；

步骤5、对经过掩膜处理的时频谱进行短时傅里叶逆变换，得到该频率成分f(n)随时间变化的信号x'(n)，求该信号的时变瞬时频率；

步骤6、根据齿轮箱(2)各级齿轮的参数关系，确定该频率成分f(n)属于齿轮箱(2)哪一级传动轴的旋转频率或啮合频率，进一步换算得到其它各级轴的转频和啮合频率。