CN202661241U - 一种模拟风电齿轮箱的振动测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于可再生能源设备故障监测与诊断领域，具体涉及一种模拟风电齿轮箱的振动测试装置。调速电动机、多级传动齿轮箱与直流发电机安装在工作台上，调速电动机与多级传动齿轮箱的输入轴固联，多级传动齿轮箱的输出轴与直流发电机的轴固联，多级齿轮箱的箱体表面安装多个加速度传感器，加速度传感器与数据采集模块连接。本振动测试装置能够模拟变速风力发电机齿轮箱正常与带故障运行时的振动状态，同时采集多路振动信号，具有测试方便，有效排除运行中的干扰因素，精确提取故障特征等优点，利用所提取的各种故障特征为实际风电齿轮箱的测试分析与故障诊断提供重要参考。
Description
技术领域
本实用新型属于可再生能源设备故障监测与诊断领域，具体涉及一种模拟风电齿轮箱运行状态的振动测试装置。
背景技术
近年来，我国风力发电装机容量增长迅速，风电机组变速、变载以及运行环境差等特点使齿轮箱工作状态复杂、运行寿命低，齿轮箱成为风电机组中故障率最高的机械部件之一，并且故障维修周期长、费用高，严重影响风力发电的经济性、可靠性和安全性，受到国内外生产厂家与运营单位的高度重视。
齿轮箱故障诊断主要基于振动监测与分析技术。设备运行时，其振动信号包含丰富的运行状态信息。齿轮或轴承故障将造成振动状态发生变化，通过监测分析振动信号就可能发现和识别故障。机械故障诊断的目标是尽可能早地发现和识别故障，进行精确的故障定位，并给出故障发展趋势，为合理维护维修提供技术支持。
齿轮箱振动故障诊断的关键问题包括故障特征提取分析、故障模式分类识别两个方面。当故障刚发生时，振动信号中的故障信息非常微弱，往往被正常运行产生的振动信号和噪声干扰信号所淹没，因此从振动信号中提取故障特征信息一直是信号分析技术在工程应用中的重要内容，也是有效实现机械故障诊断的关键。早期的齿轮箱振动分析与故障特征提取主要采用经典信号分析方法，根据齿轮箱运行过程中振动信号的产生机理，利用时域平均技术、频谱分析、倒频谱分析和解调技术等提取反映齿轮箱故障的特征信息。随着信号分析技术的发展，新的故障诊断方法不断涌现，进而拓宽了信号分析的工程应用范围。这些新方法通 常会在齿轮箱振动监测与故障诊断领域得到迅速验证，使得该领域的研究不断深化。目前应用于齿轮箱故障诊断方面的信号分析新方法主要包括时频分析、小波分析、非线性信号分析等。
与其他工业齿轮箱相比，风电机组齿轮箱具有以下特点：
1）由于安装空间小、增速比大，齿轮箱结构紧凑复杂、级数多，故障点多。齿轮箱结构采用行星齿轮与平行轴齿轮结合的多级传动模式，各个齿轮轴转速差别较大，齿轮轴支撑轴承类型多，特征频率覆盖范围较宽。
2）风速在较大范围内的持续变化，导致齿轮箱传递的载荷复杂多变。齿轮箱振动幅度变化大，存在着复杂的调幅和调频现象。
由于风电场通常处于海滩、戈壁等荒凉地域，自然环境恶劣，且齿轮箱安装在高空，随机舱和塔架一起摆动，导致齿轮箱振动状态发生时间和空间变化，从而对在线实时监测齿轮箱振动状态形成较大干扰，进而影响故障特征判断的准确性。本发明设计一种模拟风电齿轮箱的振动测试装置，模拟风电机组传动系统变速、变载的特点，并进行齿轮箱正常运行与故障运行时的特征状态比较，本装置具有有效排除外部干扰、模拟故障源方便等优点，为探求实际风电齿轮箱故障的共性特征进而准确进行故障诊断提供一种便捷有效的途径。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种模拟风电齿轮箱运行状态的振动测试装置，具体是提供一种采用调速电动机驱动多级传动齿轮箱，并采用加速度传感器拾取振动信号的测试装置。
具体结构为：调速电动机、多级传动齿轮箱与直流发电机安装在工作台上，调速电动机与多级传动齿轮箱的输入轴固联，多级传动齿轮箱的输出轴与直流发电机的轴固联，多级传动齿轮箱的箱体表面安装多个加速度传感器，加速度传感 器与数据采集模块连接。
所述多级传动齿轮箱包括行星轮系、第一定轴传动系和第二定轴传动系，其中行星轮系包括安装在行星架上的行星轮，与行星轮啮合的太阳轮；第一定轴传动系包括第一齿轮和与第一齿轮啮合的第二齿轮，第一齿轮与太阳轮安装在同一传动轴上；第二定轴传动系包括第三齿轮和与第三齿轮啮合的第四齿轮，第三齿轮与第二齿轮安装在同一传动轴上，第四齿轮安装于齿轮箱输出轴上。
所述多级传动齿轮箱的箱盖与箱座是可拆卸的。
所述的加速度传感器与齿轮箱体固联。
调速电动机与多级传动齿轮箱的低速轴固联，电动机转速可调，模拟满足最优叶尖速比时风轮转速随风速变化的状态，多级传动齿轮箱的高速轴与直流发电机轴固联，模拟风电齿轮箱所驱动的实际发电机（负载），齿轮箱体上安装若干加速度传感器，实时拾取齿轮箱的振动信号，并将信号及时输送至数据采集模块以进行后续处理。
本实用新型的有益效果为：
通过人为制造多种故障源，包括各级齿轮断齿、点蚀、磨损，滚动轴承失效等故障，模拟实际风电齿轮箱可能的运行状态，采集振动信号并进行信号分析与故障特征提取方法的验证，从而为实际风电齿轮箱的故障诊断提供参考依据，具有重要的现实意义。
附图说明
图1是本振动测试装置的部件组成示意图；
图2是图1中多级传动齿轮箱内部结构图；
图3为齿轮箱振动信号采集与处理的硬件组成图；
图4为运用此装置进行振动测试与分析的工作流程图。
图中标号：
1-调速电动机；2-多级传动齿轮箱；3-联轴器；4-直流发电机；5-加速度传感器；6-数据采集模块；7-工作台；201-太阳轮；202-行星架；203-行星轮；204-第一齿轮；205-第二齿轮；206-第三齿轮；207-第四齿轮。
具体实施方式
本实用新型提供了一种模拟风电齿轮箱的振动测试装置，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
部件组成与齿轮箱内部结构如图1、图2所示，图1中，调速电动机1、多级传动齿轮箱2与直流发电机4安装在工作台7上，调速电动机1与多级传动齿轮箱2的输入轴固联，多级传动齿轮箱2的输出轴通过联轴器3与直流发电机4的输入轴固联，多级传动齿轮箱2的箱体表面光滑位置依次安装多个加速度传感器5，加速度传感器5实时采集的振动信号输入到数据采集模块6进行后续处理。
如图2所示，多级传动齿轮箱结构与典型风电齿轮箱内部结构相似，可以有效模拟风电齿轮箱中各部件的故障状态，齿轮箱内部采用一级行星传动与两级定轴传动结合的方案，其中，所述多级传动齿轮箱2包括行星轮系、第一定轴传动系和第二定轴传动系，其中行星轮系包括安装在行星架202上的行星轮203，与行星轮203啮合的太阳轮201；第一定轴传动系包括第一齿轮204和与第一齿轮204啮合的第二齿轮205，第一齿轮204与太阳轮201安装在同一传动轴上；第二定轴传动系包括第三齿轮206和与第三齿轮206啮合的第四齿轮207，第三齿轮206与第二齿轮205安装在同一传动轴上，第四齿轮207安装于齿轮箱输出轴上。
如图3所示，多个加速度传感器拾取箱体振动信号，由数据采集模块负责采集并进行前处理放大、抗混叠滤波等过程，最终转换为可处理的离散数字信号， 输入到计算机进行分析。
实施例1
在本装置安装、调试等工作完成后，认为箱体内各部件（齿轮、轴承、传动轴）无故障，处于良好运行状态，此时，调速电动机1的转速为某一特定转速并维持一定时间，齿轮箱内各级齿轮啮合、轴承滚动所产生的振动信号传递至箱体，由固定于箱体上的多个加速度传感器拾取，由数据采集模块6采集振动信号，并进行前置放大、抗混叠滤波等处理，最终输入到PC机，进行后续的信号处理与分析。工作流程如图4所示，调速电动机速度需不断调节，获取不同转速下箱体振动信号，循环上述过程。
实施例2
将齿轮箱盖打开，人为制造齿轮故障，如不完全断齿、齿面点蚀与磨损、轴承点蚀等各种故障状况，盖上箱盖后，调节电动机1转速为某一固定转速，信号采集过程与实施例1的情况相同，采用如图4所示的工作流程进行振动信号分析，比较无故障信号与带故障信号的振动特点，总结各种故障的信号特征，为进一步进行实际风电齿轮箱的故障诊断提供参考。
本实用新型是一种模拟风电齿轮箱的振动测试装置，通过人为制造多种故障源，包括各级齿轮断齿、点蚀、磨损，滚动轴承失效等故障，模拟实际风电齿轮箱可能的运行状态，采集振动信号并进行信号分析与故障特征提取方法的验证，从而为实际风电齿轮箱的故障诊断提供参考依据，具有重要的现实意义。
Claims (4)
1.一种模拟风电齿轮箱的振动测试装置，调速电动机（1）、多级传动齿轮箱（2）与直流发电机（4）安装在工作台（7）上，其特征在于，调速电动机（1）与多级传动齿轮箱（2）的输入轴固联，多级传动齿轮箱（2）的输出轴与直流发电机（4）的轴固联，多级传动齿轮箱（2）的箱体表面安装多个加速度传感器（5），加速度传感器（5）与数据采集模块（6）连接。
2.根据权利要求1所述的模拟风电齿轮箱的振动测试装置，其特征在于，所述多级传动齿轮箱（2）包括行星轮系、第一定轴传动系和第二定轴传动系，其中行星轮系包括安装在行星架（202）上的行星轮（203），与行星轮（203）啮合的太阳轮（201）；第一定轴传动系包括第一齿轮（204）和与第一齿轮（204）啮合的第二齿轮（205），第一齿轮（204）与太阳轮（201）安装在同一传动轴上；第二定轴传动系包括第三齿轮（206）和与第三齿轮（206）啮合的第四齿轮（207），第三齿轮（206）与第二齿轮（205）安装在同一传动轴上，第四齿轮（207）安装于齿轮箱输出轴上。
3.根据权利要求1所述模拟风电齿轮箱的振动测试装置，其特征在于，所述多级传动齿轮箱（2）的箱盖与箱座是可拆卸的。
4.根据权利要求1所述模拟风电齿轮箱的振动测试装置，其特征在于，所述的加速度传感器（5）与齿轮箱体固联。
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