行星齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件,也是故障發(fā)生率最高的部件之一,針對(duì)行星齒輪箱的故障診斷研究對(duì)風(fēng)電機(jī)組的可靠平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。目前,振動(dòng)診斷方法在故障診斷領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛,但同時(shí)也存在著安裝不便、易受環(huán)境影響等缺點(diǎn)。而定子電流分析法僅利用發(fā)電機(jī)的電信號(hào)便可獲取故障信息,能夠有效降低檢測(cè)和維修成本,特別適用于數(shù)量眾多、運(yùn)行環(huán)境惡劣的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障監(jiān)測(cè)與診斷。本文首先建立了行星齒輪箱各齒輪部件的故障信號(hào)模型,并對(duì)齒輪故障對(duì)定子電流產(chǎn)生的影響進(jìn)行公式推導(dǎo),分析了經(jīng)驗(yàn)小波變換(Empirical Wavelet Transform,EWT)的基本原理,將經(jīng)驗(yàn)小波變換和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)進(jìn)行對(duì)比加以驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)小波變換在信號(hào)分解中存在的優(yōu)勢(shì)。其次,根據(jù)異步電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程,建立出齒輪故障時(shí)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型,以該模型為基礎(chǔ),分別在Matlab/Simscape和Matlab/Simulink環(huán)境下搭建行星齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行仿真。對(duì)正常和故障狀態(tài)下采集的仿真數(shù)據(jù)應(yīng)用EWT進(jìn)行分解,重構(gòu)有效分量并進(jìn)行包絡(luò)譜分析,提取出模擬的故障頻率成分。最后,搭建了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行星齒輪箱故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái),分別在行星輪正常和故障兩種狀態(tài)下采集發(fā)電機(jī)定子電流信號(hào)和行星齒輪箱的振動(dòng)信號(hào),結(jié)合EWT算法和包絡(luò)譜分析對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理分析與比較。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,行星齒輪箱的局部故障會(huì)引起電機(jī)電流的變化,結(jié)合EWT和包絡(luò)譜分析的信號(hào)處理方法,能夠有效地在定子電流中提取行星齒輪的故障特征頻率成分,定子電流信號(hào)中存在幅值較高的勵(lì)磁諧波分量,該頻率分量與變頻器勵(lì)磁大小有關(guān),避免諧波分量和故障特征頻段的重疊可提高故障識(shí)別的準(zhǔn)確性,達(dá)到更好的診斷效果。
【學(xué)位單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM315;TH132.41
【部分圖文】：

哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一種設(shè)備監(jiān)測(cè)方法，由學(xué)者 Kryter[34]提出并應(yīng)用到電動(dòng)閥門(mén)損監(jiān)測(cè)中。由于該方法在使用時(shí)不用在待檢設(shè)備上安裝任何物理傳感器，用電流互感器獲取電機(jī)電路中的電氣信息，因此也被稱作無(wú)傳感器故障檢術(shù)(Sensorless Fault Diagnosis，SFD)[35-37]。MCSA 法可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)振動(dòng)診斷的不足，有效地降低檢測(cè)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)降低了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程度。近些年來(lái)，該方法在齒輪箱方面的應(yīng)用越來(lái)越多，文獻(xiàn)資料也在不富。Kliman[38]等通過(guò)監(jiān)測(cè)定子電流頻譜來(lái)檢測(cè)齒輪輪齒損傷，但并沒(méi)有清楚釋電流頻譜中齒輪相關(guān)故障頻率產(chǎn)生的機(jī)理。Mohanty[39]和 Kar[40]以多級(jí)箱為對(duì)象進(jìn)行了故障試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了在定子電流頻譜中可以檢測(cè)到轉(zhuǎn)頻和齒合頻率等分量。Rajagopalan[41]等人詳細(xì)研究了齒輪傳動(dòng)中各種齒輪故障對(duì)機(jī)端電壓和電流的影響，包括齒輪輪齒破損、潤(rùn)滑損失和混入外部雜物，實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了電機(jī)電流/電壓頻譜分析在齒輪診斷方面的可行性，并了定點(diǎn)電流方法是比振動(dòng)方法更優(yōu)的診斷選擇。負(fù)載控制柜

哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文的研究，搭建了如圖 1-2 所示機(jī)電傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并將共振殘差技術(shù)應(yīng)用電流信號(hào)的分析中，成功在供電頻率附近提取出故障特征信息，證明了CSA 的故障診斷方法能夠準(zhǔn)確的反映出故障信息。經(jīng)過(guò)多年時(shí)間的積累與學(xué)習(xí)，國(guó)內(nèi)將無(wú)傳感器診斷方法應(yīng)用到齒輪箱究也有了一定的成就。中南大學(xué)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)[45-46]對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了模，獲取發(fā)電機(jī)定子電流信號(hào)與電壓信號(hào)，證明了電機(jī)定子電流和電壓信存在故障信息。楊明[47]等將定子電流分析法應(yīng)用到一對(duì)嚙合齒輪的故障，推導(dǎo)了電機(jī)定子電流的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，通過(guò)在 Matlab 下在建立仿真方式驗(yàn)證定子電流法的故障診斷原理，并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，利用常用的析方法較好的檢測(cè)出了齒輪斷齒故障。馮志鵬[48]總結(jié)了行星齒輪箱故障特征，并搭建了圖 1-3 所示的行星齒輪箱故障試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，斷出行星齒輪箱中齒輪的故障。

行星齒輪故障特征及定子電流感應(yīng)機(jī)理齒輪箱的結(jié)構(gòu)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)電總裝機(jī)量中所占比重較大，與直驅(qū)式，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)帶有由齒輪箱組成增速機(jī)構(gòu)，由于行星效且具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)中大量雙饋式風(fēng)電機(jī)組中的核心部分之一，它的研發(fā)和設(shè)計(jì)一直是為提高增速比，有的設(shè)計(jì)為復(fù)雜的多級(jí)傳動(dòng)方式或單級(jí)和多式，多級(jí)傳動(dòng)帶來(lái)的缺點(diǎn)是齒輪箱可靠性的降低，所以目前以單級(jí)傳動(dòng)方式應(yīng)用的居多。-1 所示為 NGW 型的一級(jí)行星齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖，主要由行星架、齒圈及輸入輸出軸組成。工作時(shí)行星架與輸入軸相連圈中旋轉(zhuǎn)，同時(shí)太陽(yáng)輪隨著行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)相連的輸出增速。
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