一种基于功率流有限元法的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径确定方法

摘要

一种基于功率流有限元法的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径确定方法，本发明涉及风电齿轮箱故障振动信号的传递路径确定方法。本发明是为了解决现有方法无法有效从风电齿轮箱故障振动信号的多条传递路径中确定出主要传递路径的问题。本发明步骤为：一：根据风电齿轮箱故障冲击的特点，确定传感器的安装位置；二：确定风电齿轮箱故障振动信号的传递路径；三：得到基于功率流的故障振动信号传递路径贡献量的计算公式；四：建立风电齿轮箱的有限元模型，利用有限元法计算各条传递路径的贡献量；五：对传递路径的贡献量排序，确定风电齿轮箱故障振动信号的主要传递路径。本发明应用于风电齿轮箱故障分析领域。

说明书

技术领域

本发明涉及基于功率流有限元法的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径确定方法。

背景技术

风电齿轮箱作为目前风电设备的关键部件，运行环境极其恶劣，一旦发生故障，维修非常困难。对风电齿轮箱进行有效的状态监测和故障诊断，在其发生严重故障之前进行维护，对提高风电设备的可靠性具有重要意义。但是由于风电齿轮箱的传动结构复杂，并且故障振动信号传递路径的数量多并且是时变的，这为风电齿轮箱的状态监测与故障诊断带来极大挑战。另一方面，由于耗散和干扰效应，故障振动信号在传递过程中可能会大幅衰减，隐藏在复杂振动信号中的故障信号的特征也随之减弱。因此，对故障振动信号传递路径的研究有助于提高风电齿轮箱状态监测和故障诊断的准确率，具有非常重要的工程意义。

传统的传递路径分析方法通常需测试传递函数和识别载荷，这就需要采集大量的数据。传统方法通常要求所分析的各条传递路径是非时变的并且彼此之间相互独立，同时要求被测设备内部易于安装传感器进行测试。而风电齿轮箱的结构中多含有行星齿轮传动机构，具有齿轮啮合易引起振动叠加，振动信号传递路径数量多且是时变的等特点。此外其内部结构也不适于安装传感器，因此传统的路径分析方法在风电齿轮箱的故障振动信号传递路径分析方面适用性不足。基于能量的传递路径研究方法把复杂的矢量运算转化为相对简单的标量加减，给出了振动能量传递的一个绝对度量，揭示能量传递的变化和衰减规律。但目前的研究仅通过比较某一特定界面的功率流来辨识主要传递路径，缺少各条路径对目标点的振动能量贡献量的研究，因此无法通过对比贡献量的高低确定出故障振动信号的主要传递路径。

发明内容

本发明是为了解决现有方法无法有效从风电齿轮箱故障振动信号的多条传递路径中确定出主要传递路径的问题，而提出的一种基于功率流有限元法的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径确定方法。

一种基于功率流有限元法的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径确定方法按以下步骤实现：

步骤一：根据风电齿轮箱故障冲击的特点，确定传感器的安装位置；

步骤二：根据传感器的安装位置以及故障类型，确定风电齿轮箱故障振动信号的传递路径；

步骤三：根据步骤二确定的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径，得到基于功率流的故障振动信号传递路径贡献量的计算公式；

步骤四：建立风电齿轮箱的有限元模型，利用有限元法计算各条传递路径的贡献量；

步骤五：对传递路径的贡献量排序，确定风电齿轮箱故障振动信号的主要传递路径。

发明效果：

本发明的目的是提供一种基于功率流有限元法的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径分析方法，针对传统传递路径分析方法在风电齿轮箱故障振动信号的传递路径数量多且是时变的，以及齿轮内部不易安装传感器等方面适用性不足的缺点，基于功率流有限元法计算故障振动信号传递路径贡献量，有效确定故障振动信号的主要传递路径。与传统的传递路径分析方法相比，本发明的有益效果为：

1、本发明针对风电齿轮箱故障振动信号传递路径的特征，使具有相同能量传递路径的故障振动信号传递路径具有相等的被动子系统能量保持因子，符合故障振动信号的实际传递过程并且减少了计算过程中的运算量。

2、本发明针对传统传递路径分析方法在风电齿轮箱故障振动信号传递路径数量多且是时变的，以及设备内部不易安装传感器等方面适用性不足的缺点，从对各条路径对目标点的振动能量贡献量的分析出发，建立基于功率流的风电齿轮箱故障振动信号各条传递路径贡献量的计算公式，提高传递路径分析方法在风电齿轮箱故障振动信号的传递路径分析方面的适用性。

3、本发明采用有限元法对风电齿轮箱进行模态分析和谐响应分析，得到目标点和耦合点的功率流以及各传递路径的时变与非时变能量保持因子，较传统方法更加准确有效。

4、本发明针对现有方法仅通过比较某一特定界面的功率流来辨识主要传递路径的不足，对各个共振带频率下的各条传递路径的贡献量进行求和获得总贡献量，并对其排序，准确高效的得到风电齿轮箱故障振动信号的主要传递路径。

附图说明

图1为基于功率流有限元法的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径分析方法的流程示意图；

图2为行星轮故障振动信号的6条传递路径图；

图3为行星架轴承故障振动信号的2条传递路径图；

图4为不同轮齿位置的行星轮故障振动信号的时变能量保持因子变化曲线图；

图5为不同轮齿位置的行星架轴承故障振动信号的时变能量保持因子变化曲线图；

图6为轮齿编号为9的行星轮故障振动信号传递路径贡献量的变化曲线图；

图7为轮齿编号为27的行星轮故障振动信号传递路径贡献量的变化曲线图；

图8为轮齿编号为1的行星架轴承故障振动信号传递路径贡献量的变化曲线图；

图9为轮齿编号为10的行星架轴承故障振动信号传递路径贡献量的变化曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种基于功率流有限元法的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径确定方法包括以下步骤：

步骤一：根据风电齿轮箱故障冲击的特点，确定传感器的安装位置；

步骤二：根据传感器的安装位置以及故障类型，确定风电齿轮箱故障振动信号的传递路径；

步骤三：根据步骤二确定的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径，得到基于功率流的故障振动信号传递路径贡献量的计算公式；

步骤四：建立风电齿轮箱的有限元模型，利用有限元法计算各条传递路径的贡献量；

步骤五：对传递路径的贡献量排序，确定风电齿轮箱故障振动信号的主要传递路径。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中确定风电齿轮箱故障振动信号的传递路径的具体过程为：

步骤二一：分析行星齿轮的局部剥落故障，确定故障振动信号的非时变传递路径；

步骤二二：分析行星齿轮的局部剥落故障，确定故障振动信号的时变传递路径；

步骤二三：分析行星架轴承的外圈局部剥落故障，确定故障振动信号的非时变传递路径；

步骤二四：分析行星架轴承的外圈局部剥落故障，确定故障振动信号的时变传递路径。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤三中得到基于功率流的故障振动信号传递路径贡献量的计算公式的具体过程为：

步骤三一：选择各条传递路径的耦合点，得到风电齿轮箱系统能量传递图以及被动子系统能量传递图；

步骤三二：根据步骤三一得到的风电齿轮箱系统能量传递图以及被动子系统能量传递图，寻找具有相同能量传递路径的故障振动信号传递路径；

步骤三三：获取工作状态下激励源于被动子系统耦合点处的功率流和各条传递路径的能量保持因子；

步骤三四：得到第i条传递路径的贡献量百分比为：

式中C_i是第i条传递路径的贡献量百分比，是被动子系统侧第i条传递路径的能量保持因子，P_i^A(ω)是第i条传递路径耦合点处的功率流。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三三中获取工作状态下激励源于被动子系统耦合点处的功率流和各条传递路径的能量保持因子的具体过程为：

为获得能量保持因子，需移除实际激励源，同时依次在被动子系统耦合点处施加激励，同时测量目标点的功率流，目标点功率流与耦合点功率流的比值即为能量保持因子。

步骤三三一：在被动子系统距离目标点5cm内的位置选定m个指示点，在每个耦合点5cm内的位置选定1个监测点；在工作状态下，通过传感器或仿真获得各个指示点的功率流，并组成m维功率流列向量

步骤三三二：移除实际激励源，在被动子系统耦合点处依次施加激励，并通过传感器或仿真获得各个监测点和指示点的功率流；当在第i个路径的耦合点处施加激励时，第i个路径的监测点功率流为p_i(ω)，目标点处第j个指示点的功率流为p_ji(ω)，则为从第i个监测点到第j个指示点的能量保持因子，所有m×n个能量保持因子组成m×n维能量保持因子矩阵δ^B(ω)；

步骤三三三：记为对应于工作状态下耦合点处n维功率流列向量，则：

δ^B(ω)·P^A(ω)＝P^B(ω)(2)

即

对δ^B(ω)取广义逆δ^B(ω)^-1可得：

P^A(ω)＝δ^B(ω)^-1·P^B(ω)(4)

即

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中建立有限元模型，利用有限元法计算各条传递路径的贡献量的具体过程为：

步骤四一：针对风电齿轮箱的特点以及分析需要，去除不需要的特征，建立简化的风电齿轮箱有限元模型；

步骤四二：对风电齿轮箱进行模态分析和谐响应分析；

步骤四三：利用有限元仿真结果计算得到各个指示点和监测点处的功率流，以及故障振动信号的非时变和时变传递路径能量保持因子；

步骤四四：根据各指示点和监测点处的功率流以及各传递路径的能量保持因子，计算风电齿轮箱故障振动信号各条传递路径的贡献量；

步骤四五：对共振带频率下的各条传递路径贡献量进行求和，获得各条路径的总贡献量。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

实施例一：

本实施例一种基于功率流有限元法的风电齿轮箱故障振动信号的传递路径确定方法具体是按照以下步骤制备的：

风电齿轮箱一般由一级行星齿轮加两级定平行轴齿轮传动机构组成，其中行星齿轮传动部分是风电齿轮箱的核心部分，主要部件有行星轮、太阳轮，行星架和内齿圈。根据风电齿轮箱的独特结构，行星齿轮局部剥落故障和行星架轴承外圈故障所产生的冲击力均主要处于径向平面内，所以在行星齿轮传动部分的上方设置传感器测点。

针对行星齿轮的局部剥落故障，故障源到传感器共有6条振动传递路径，如图2所示。图中传递路径1、2和3是故障位于行星轮与太阳轮啮合点时形成的，传递路径4、5和6是故障位于行星轮与内齿圈啮合点时形成的。其中传递路径1、3、4和6是非时变路径，传递路径2和5是时变路径。

针对行星架轴承的外圈局部故障，故障源到传感器共有2条振动传递路径，如图3所示。图中，传递路径1是非时变路径，传递路径2是时变路径。

针对行星齿轮的局部剥落故障，各条路径的耦合点选择如下：路径1选择耦合点在太阳轮上，路径2选择耦合点为行星轮与内齿圈的啮合点，路径3选择耦合点在行星架与行星架轴承之间，路径4选择耦合点为行星轮与太阳轮的啮合点，路径5选择耦合点在内齿圈上，路径6选择耦合点在行星架与行星架轴承之间。

由于路径2的故障振动信号和路径5的故障振动信号都会通过内齿圈的每一个轮齿传递到传感器，所以路径2与路径5具有相同的被动子系统能量保持因子。同理，路径1与路径4、路径3与路径6也具有相同的被动子系统能量保持因子。对内齿圈轮齿进行编号，以上方正对传感器的轮齿为编号1，同时考虑到内齿圈关于传感器的对称性，只对一半内齿圈编号。以变量n表示内齿圈轮齿编号，在每个耦合点附近设置1个监测点，在目标点附近设置3个指示点，根据式(3)可得：

根据式(1)可得6条传递路径的贡献量百分比，如式(7)所示：

针对行星齿轮的局部剥落故障，2条路径的耦合点选择如下：2条路径的耦合点选择如下：路径1选择耦合点在行星架轴承外圈与箱体之间，路径2选择耦合点在行星架轴承与行星架之间。

由于3个行星轮将圆周3等分，所以只需对三分之一个内齿圈编号。在每个耦合点附近设置1个监测点，在目标点附近设置2个指示点，根据式(3)可得：

式(8)中为了区别于行星轮故障信号传递路径的能量保持因子δ，使用符号η表示行星架轴承故障信号传递路径的能量保持因子，则2条传递路径的贡献量百分比为：

由于风电齿轮箱模型中螺栓，螺母以及倒角对所关注的分析区域无关，所以将其去除，建立简化的风电齿轮箱有限元模型。对风电齿轮箱进行模态分析和谐响应分析。根据仿真结果计算得到耦合点和目标点的功率流，以及时变与非时变传递路径能量保持因子。

对某一轮齿编号下的不同频率的能量保持因子求和，值的大小反映时变传递路径的传递能力的大小，如图4和图5。对于行星轮故障信号传递路径的能量保持因子，当轮齿编号为9和27时分别取得最大值和最小值；对于行星架轴承故障信号传递路径的能量保持因子，当轮齿编号为10和1时分别取得最大值和最小值。

根据式(7)和式(9)分别计算出行星轮故障信号和行星架轴承故障信号传递路径的贡献量，分别如图6—图9所示。对三个共振带频率(550Hz～600Hz、1450Hz～1650Hz和2200Hz～2850Hz)下的各条传递路径的贡献量进行求和，获得总贡献量。对于行星轮故障信号，当n＝9时，路径1至路径6的总贡献量分别为2.97、2.33、14.08、0.26、0.23和1.14；当n＝27时，路径1至路径6的总贡献量分别为2.22、3.38、13.39、0.10、0.16和1.75。对于行星架轴承故障信号，当n＝1时，路径1的总贡献量为12.97，路径2的总贡献量为8.03；当n＝10时，路径1的总贡献量为14.25，路径2的总贡献量为6.75。各条传递路径的贡献量排序如表1所示，对于行星轮故障信号，路径3是主要传递路径；对于行星架轴承故障信号，路径1是主要传递路径。从实验结果可知，本发明可以针对风电齿轮箱故障振动信号传递路径具有时变的特点，基于功率流有限元法计算得到各条传递路径的贡献量，通过对贡献量的排序准确有效确定出风电齿轮箱故障振动信号的主要传递路径。

表1为各传递路径的总贡献量排序表