基于振动特征分析的风电齿轮箱故障诊断技术研究

【摘要】：随着社会的发展,建立在石油、煤、天然气等能源基础上的能源体系在推动人类社会进步的同时也带来了环境污染,能源危机等问题。与非可再生能源相比,风能具有易开采、储量足、无污染、可持续利用等特点。近年来风能技术快速发展,风力发电逐步成为最具商业化发展前景的新兴产业。而齿轮箱是风力发电机组传动系统中广泛应用的重要传动部件,它的工作状态对整台设备是否能良好运行起着关键的作用。风能具有随时性、爆发性和不稳定性,会给风力发电机带来交变的、复杂的冲击载荷,导致风电齿轮箱的振动信号十分复杂,因此本文在对齿轮箱的结构组成、振动机理和故障特征进行深入研究的基础之上,利用时域分析和频域分析方法开展了对风电齿轮箱故障诊断技术的研究。具体研究内容如下:首先,研究了齿轮箱结构组成及振动机理,分析了齿轮常见故障类型及其产生原因,并对齿轮箱故障的振动信号特征进行理论分析与研究。其次,介绍常用的振动信号分析方法,包括时域分析技术、频域分析技术和时频域分析技术。其中时域分析方法有时域同步平均法、时域统计分析法以及经验模态分解法;频域分析方法有功率谱、倒频谱和包络分析;时频域分析方法包括短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布、小波变换。并对各种方法的优缺点做了简要对比分析。再次,介绍了基于行星齿轮箱的故障模拟试验台。阐述了试验台的各部分组成和测试原理,说明了传感器的类型和安装位置。通过实验研究,模拟了齿轮点蚀故障,在设定不同转速、不同负载的工况下采集齿轮健康信号与故障信号。最后,通过时域分析方法和频域分析方法,对实验数据进行分析。提取故障信号的峰值、均方根值和峭度值等时域参数作为故障诊断的时域特征值,用时域特征值来判定齿轮箱的故障情况及运行状态;并结合观察和分析健康信号与故障信号的频域特征来分析故障的可能发生位置,分析结果验证了算法的有效性。 【关键词】：风力发电机 齿轮箱 故障诊断 时域分析 频域分析
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH132.41
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 课题概述9-10
• 1.1.1 课题背景9
• 1.1.2 课题研究目的及意义9-10
• 1.2 风机齿轮箱故障诊断研究现状10-11
• 1.3 主要研究内容11-12
• 1.4 论文总体结构12-13
• 第二章 风电齿轮箱的故障形式及其振动特性13-26
• 2.1 风电齿轮箱的结构组成及其振动机理分析13-18
• 2.1.1 风机的主要结构13-15
• 2.1.2 行星齿轮箱振动模型15-18
• 2.2 齿轮的常见故障18-21
• 2.2.1 齿轮常见的故障类型19-20
• 2.2.2 故障的原因20-21
• 2.3 故障齿轮箱的典型振动信号特征21-26
• 2.3.1 振动信号成分构成21-24
• 2.3.2 典型故障的振动信号特征24-26
• 第三章 信号分析处理方法26-39
• 3.1 时域分析26-28
• 3.1.1 时域同步平均法26-27
• 3.1.2 时域统计分析法27
• 3.1.3 经验模态分解法27-28
• 3.2 频域分析28-31
• 3.2.1 功率谱29-30
• 3.2.2 倒频谱30
• 3.2.3 包络分析30-31
• 3.3 时频域分析31-38
• 3.3.1 短时傅里叶变换（STFT）31-32
• 3.3.2 Wigner-Ville分布32-33
• 3.3.3 小波变换33-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 实验研究39-47
• 4.1 实验台结构39-45
• 4.1.1 实验台组成39-40
• 4.1.2 动态信号采集系统40-44
• 4.1.3 振动传感器的安装44-45
• 4.2 故障模拟45
• 4.3 测试过程45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第五章 实验数据分析47-56
• 5.1 实验样机特征参数理论计算47-48
• 5.2 时域分析48-51
• 5.3 频域分析51-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第六章 总结与展望56-59
• 参考文献59-63
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果63-65
• 致谢65

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