燕山大学毕业设计风电齿轮箱振动频率特征分析的方法研究.docx
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燕山大学毕业设计风电齿轮箱振动频率特征分析的方法研究
本科毕业设计(论文)
风电齿轮箱振动频率特征分析的方法研究
燕山大学
2014年6月
本科毕业设计(论文)
风电齿轮箱振动频率特征分析的方法研究
学院(系):
专业:
学生姓名:
学号:
指导教师:
答辩日期:
燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院:
电气工程学院系级教学单位:
仪器科学与工程系
学
号
学生
姓名
专业
班级
题
目
题目名称
风电齿轮箱振动频率特征分析的方法研究
题目性质
1.理工类:
工程设计(√);工程技术实验研究型();
理论研究型();计算机软件型();综合型()。
2.管理类();3.外语类();4.艺术类()。
题目类型
1.毕业设计(√)2.论文()
题目来源
科研课题()生产实际()自选题目(√)
主
要
内
容
本课题对于风电齿轮箱的转动和振动进行频率采集,通过分析大量的实测数据分析齿轮箱运行过程中的正常状态及异常状态的振动频率特征。
建立不同方向上振动的频谱分析,以建立故障分析和预警的模型。
基
本
要
求
1.了解风电齿轮箱的工作原理及基本机构
2.状态及频率采集的传感器的选择。
3.频率分析的数学模型的建立
4.提取出1-2种故障的频率特征。
参
考
资
料
1、基于MSP430的风力发电机振动监测系统《信息技术》2010年03期
2、大型风电机组振动分析和在线状态监测技术《沈阳工业大学学报》2007年6期
3、某风电齿轮箱运行状态监测系统设计重庆理工大学学报(自然科学) 2012年08期
4、
大型风电齿轮箱系统耦合动态特性研究振动与冲击 2012年08期
周次
1—4周
5—8周
9—12周
13—16周
17—18周
应
完
成
的
内
容
收集资料,了解风电原理及其齿轮箱的结构及测试原理。
设计系统的技术路线,完成总体方案
信号处理算法的研究
软件设计及调试
设计总结
撰写论文
指导教师:
王皓
职称:
年月日
系级教学单位审批:
年月日
摘要
齿轮箱是传动系统的重要组成部件,其性能的好坏直接影响到机械设备的正常运转。
受传动特性的影响,齿轮箱正常运转也会发生振动。
当齿轮箱发生故障时,其振动信号成分会产生改变,体现出与常规振动不同的信号特征,因此通过分析齿轮箱振动信号可以有效地获悉齿轮箱的实时性能。
对运转中的齿轮箱进行状态监测并进行有计划的维修保养,不仅能够延长齿轮箱的使用寿命,而且能够有效减少因停机、安全事故等造成的损失。
本课题以齿轮为研究对象,对某齿轮箱振动信号的故障特征提取和分析技术进行了研究,主要有以下三点:
(1)研究齿轮箱工作原理。
首先研究了齿轮箱的基本结构和工作原理,再通过齿轮箱的基本结构对齿轮箱几种典型故障的类型及其形成原因进行了探讨,最后对振动型号采集原理进行分析。
(2)介绍振动信号的时域和频域分析技术。
主要介绍了时域统计指标参数法、功率谱分析的原理。
(3)分析齿轮箱典型故障振动信号特征。
采取实验的方法,预先设计齿轮点蚀、断齿两种典型故障,采用时域和频域分析技术进行处理。
时域内,对比故障信号与正常信号时域波形图和时域统计指标参数值的变化,得到故障信号的时域特征;频域内,对比故障信号与正常信号频域成分的变化,得到故障信号的频域特征。
最后,对比不同时域和频域分析方法对不同故障信号的分析处理效果得到:
时域统计指标分析能判断是否存在故障,不能判断故障类型,功率谱能有效提取齿轮的故障信号特征,并能判断故障发生类型。
关键词:
齿轮箱,故障诊断,振动信号,特征提取
Abstract
Gearboxistheimportantpartofthetransmissionsystem,anditsperformancehasgreatimpactedonthenormaloperationofthemechanicalequipment.Affectedbythetransmissioncharacteristicsofgearbox,thevibrationexistsduringtheprocessofnormaloperation.Thecomponentsofvibrationsignalwillbeenhancedwhengearboxfaultsoccur,andthesignalfeaturewillbedifferentfromthatinconventionalvibration,soitispracticabletoconfirmreal-timeperformanceofthegearboxeffectivelybyanalyzingthevibrationsignalofgearbox.
Plannedrecordandmaintenanceishelpfulnotonlytoprolongtheservicelifeofthegearbox,butalsotoreducethelosscausedbymachinehaltandaccident.
Gearandbearingwerefocusedinthispaper,andthetechniquesoffaultfeatureextractionandanalysiswereinvestigated.Theeffortsareasfollows:
(1)Theworkprincipleofgearbox.Thebasicstructureandworkingprincipleofthefirstgearbox,andthenthroughthebasicstructureofthegearboxtypetypicalfaultsofgearboxseveralanditscausesarediscussed,finallythevibrationmodelacquisitionprincipleanalysis.
(2)Timedomainanalysisandfrequencydomainanalysistechniquesforvibrationsignalarepresented.Themaintechniquesincludethetime-domainstatisticalindices,powerspectrumanalysis.
(3)Analysisofvibrationsignalontime-frequencyfeatureissuggested.Typicalfaultsincludingexceptionontoothsurface,brokenteethhadbeenlocatedpreviouslyandthesignalwasanalyzedandprocessedintime-frequencyanalysistechnique.Ononehand,intimedomainthetime-domainfeatureofsignalwasfoundincomparisonofstatisticalparameterschangesonoscillogrambetweenfaultsignalandnormalsignal.Ontheotherhand,infrequencydomainthefrequency-domainfeatureofsignalwasfoundincomparisonoffrequencycomponentbetweenfaultsignalandnormalsignal.Finallycomparedwiththeresultsinvarioustime-frequencymethodstothefaultsignals,theconclusionisproposedasfollowed:
whetherthefaultexistsornotitcanbedetectedthroughstatisticalparametersanalysisbutitisimpossibletobelocated.It'sundesirabletoconfirmfaultsignalinpowerspectrum,zoomspectrumandcepstrum.Envelopespectrumanalysiscaneffectivelydisplaythefaultsignalcharacterofthegearsandbearings,andcanshowthefailureparts.
Keywords:
gearbox,faultdiagnosis,vibrationsignal,featureextraction
第1章绪论--------------------------------------------------------------------------------1
1.1课题研究的背景和意义-------------------------------------------------------1
1.1.1研究背景--------------------------------------------------------------------1
1.1.2研究意义--------------------------------------------------------------------1
1.2国内外研究现状----------------------------------------------------------------2
1.2.1国外研究现状--------------------------------------------------------------3
1.2.2国内研究现状--------------------------------------------------------------5
1.3本课题主要研究内容----------------------------------------------------------6
第2章风电齿轮箱的基本结构和工作原理-----------------------------------------7
2.1齿轮箱的基本结构-------------------------------------------------------------7
2.2齿轮箱工作原理----------------------------------------------------------------8
2.3齿轮箱故障类型及特点-------------------------------------------------------9
2.3.1齿轮故障类型及特点-----------------------------------------------------9
2.3.2滚动轴承故障类型及特点----------------------------------------------11
2.4本章小结------------------------------------------------------------------------13
第3章基于LabVIEW的齿轮箱信号监测采集系统设计-----------------------14
3.1基于LabVIEW的齿轮箱信号监测采集系统总体设计---------------14
3.2齿轮箱信号采集系统设计--------------------------------------------------15
3.2.1传感器的选择------------------------------------------------------------15
3.2.2传感器的安装位置及选择---------------------------------------------17
3.2.3数据采集卡的选择------------------------------------------------------20
3.3本章小结------------------------------------------------------------------------21
第4章齿轮振动信号与故障信号的对比分析-------------------------------------22
4.1齿轮箱振动信号分析研究--------------------------------------------------22
4.1.1时域分析------------------------------------------------------------------22
4.1.2频谱分析------------------------------------------------------------------25
4.2齿轮箱故障信号的提取研究-----------------------------------------------25
4.2.1齿轮箱正常信号特征分析---------------------------------------------25
4.2.2齿轮箱故障信号特征提取分析判断---------------------------------27
4.3本章小结-----------------------------------------------------------------------32
总结----------------------------------------------------------------------------------------33
致谢----------------------------------------------------------------------------------------34
参考文献----------------------------------------------------------------------------------35
附录1开题报告
附录2中期报告
附录3外文翻译
附录4外文文献
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
1.1.1研究背景
第一次世界石油危机的爆发使人们的能源危机意识越来越强,各国针对日趋紧张的能源现状相继制定相关法律,以便达到促进可再生清洁能源的发展从而替代高污染不可再生资源。
从目前世界可再生能源的发展利用趋势看,太阳能、风能和核能及生物质能的发展较为迅速,产业前景最好。
风力发电的发电技术成本在可再生能源发电中最接近常规能源,因此风能产业成为可再生能源产业化最快的清洁能源。
相比于其它可再生能源,风能具有突出优势:
风是一种永不枯竭的资源,其能量大大超过地球上水流的能量,也大于固体燃料和液体燃料能量的总和;在各种能源中,风能的利用相对比较简单,它不需要像化石燃料一样从地下采掘出来也不需要像水能源一样建造大坝等设施,更不需要像核能源一样需要昂贵的装置和防护设备;风能是一种可再生清洁能源,不会产生任何污染,它具有比核能更安全且没有原材料压力的优势;相比于太阳能和生物质能具有成本优势以及可大规模并网发电的优势,目前太阳能发电成本大约是风电的6-10倍、生物智能发电的7-12倍,更是火电的11-18倍,高昂的成本致使太阳能发电投入大规模并网发电还为时尚早,而生物质能发电成本同样高昂且生物质资源高度分散无法像风资源一样就地取材。
进入21世纪,可再生能源在全球范围取得长足的发展,尤其是风能的发展最为迅速,并成为继传统化石化工燃料之后的核心能源,近几年风电依然保持高速发展的态势,全球风电装机总量截至2011年底已达到238,OOOMW之高[1]。
1.1.2研究意义
我国风力发电机组故障中齿轮箱的损坏率在机组部件中最高,达到40%~50%,风力发电机组建在风电场,而风力机传动件的核心部件就是齿轮箱,由于安装环境条件很差,随着载荷的增加,齿轮箱的拆装越发不容易,若出现故障,对发电机组带来的影响很大,维修也非常困难。
随着设备的不断升级,例如风力发电机容量的增大,齿轮箱故障所带来的损失越来越大,齿轮箱故障诊断的研究是非常必要的。
转动中的齿轮受弯曲载荷、振动等载荷作用,所以发生故障是不可避免的。
目前,主要有三种风力发电机,一种依靠齿轮箱增速,一种是直驱风力发电机组,第三种是半直驱风力发电机,第一种的生产技术较为成熟,而且在风电场中,该种风力发电机是主流机型,使用的较多[2]。
双馈感应发电机所加装的电力电子变流器的功率占风力机组的30%,虽然没有了齿轮箱,风力机的故障发生率以及维护成本都大幅下降,但为了将直驱风力发电机组联接电网,要给它加装一个全功率的电力电子变流器,而变流器的价格非常高,增加了发电成本。
由于以上两个原因,就目前来说,风电机组齿轮箱故障研究有重要现实意义。
相比较而言,电气系统和控制系统等电子电气设备的维护相对简单,通常这些部件体积不是很大,可由工程师带上风机手动更换,因而可以在短时间内迅速排除故障。
而对于齿轮箱、轴系和发电机等大型设备,由于其故障后很难进行现场检修,通常需要吊装到地面后进行诊断和维修或更换,因而会导致长达数天的停机时间,并且这需要投入极大的人力物力,甚至单次维护成本就可能超过百万人民币。
对于齿轮箱,传统的维修方式主要有事后维修和定期维修。
齿轮箱的零件发生故障后会加剧其他零件的磨损,使故障发生面扩大,所以当故障发生后再进行维修,不仅会造成停工,而且维修费用也会相对较高,在一些重要的齿轮箱的维修上事后维修己经被弃用。
定期维修虽有一定的计划性,降低了突发性故障的概率,但并不能避免,而且定期更换也会带来不必要的浪费。
采用有效的技术手段和完善的监测系统对齿轮箱的运行状态进行监测诊断,可以有效避免故障停机和定期维修造成的不必要损失,无论从安全层面还是经济层面,都有着很大的研究价值和意义。
综上所述,只有高度重视并不断提高风力发电机组齿轮箱的运行维护能力,才能保证风力发电机组齿轮箱及机组的良好运行,而齿轮箱的故障诊断研究是齿轮箱正常运行的重要保证。
1.2国内外研究现状
故障诊断是一门快速发展的交叉学科,包含电子、计算机、测试、模式识别、人工智能和信息处理等多门学科,它同时也是一门注重理论和应用相结合的科学。
故障诊断研究起源于上世纪60年代,经历了从简单测量信号开始到人工智能,进而到人机协作的发展历程。
时至今日,传统故障诊断技术在工程应用中己得到很好应用,并发挥着重要作用。
在故障诊断技术发展的初期,其主要应用主要局限于军事和航天领域。
在接下来的十来年,故障诊断技术取得一定发展,应用领域也扩展到大型旋转机械故障诊断中,这一时期的故障诊断主要基于对故障信号的处理,包括滤波和噪声技术、时域和频域分析以及时频分析等。
其中时域分析又包括相关分析、统计分析和波形分析等,频域分析则包括功率谱、幅值谱、到频谱和包络谱等基于傅里叶变换得到的频谱,时频分析主要有短时傅里叶变换等分析方法,这些技术方法在震动信号的分析中取得广泛应用。
最近二十年间,伴随人工智能的飞速发展,故障诊断技术也同样取得空前发展,故障诊断的精度也在不断提高。
这一时期产生了众多智能化的故障诊断方法,很多优良的理论和方法被引入故障诊断领域,如粗糙集理论、模糊集理论、专家系统和神经网络以及这些方法和理论的综合交叉应用等。
1.2.1国外研究现状
国外风力发电事业起步较早,因而对风力发电系统故障诊断研究也比较早,对风力发电机组故障高发部件己经开展了很多研究,并取得优良成果,对风电事业的发展起到极大的推动作用。
目前风电故障诊断的研究重点主要集中于电气系统、传动系统和叶片等方面,这些都是风力发电机组故障的高发部件,每次故障引起的停机时间最长、发电量损失最大。
国外对风电故障诊断的研究方法和国内存在一些区别,目前国内对故障诊断的研究多是基于振动信号,而国外则主要基于风力发电机的输出信号,如电压、电流和输出功率等对风电机组进行分析,从而达到故障诊断的目的[3-4]。
CaselitzP,GiebhargtJ,KrugerT等人[5]通过分析研究风力发电机输出功率的频谱特性来实现转子不平衡和气动力不对称故障的诊断,明确指出二者的频谱特性可由一倍频处幅值的增大明显反映出来,却无法将其从电功率谱的特性上区分开来。
CD.Casadei等人[6]用转子调制信号谱来诊断发电机的定子和转子不对称故障,结果表明,转子信号调谱中的故障信息比电流谱更清晰。
H.Douglas等人[7]对故障信号的非稳态特性进行了详细研究,通过统计学方法和小波分析等手段来实现对定子线圈故障的诊断。
M.Wurfel[8]则采用快速傅里叶变换等手段分析转子电流,进而判断电机的故障,并将其应用于对大型风力发电机组的故障诊断中,取得良好效果。
JeffriesWQ和AmiratY等人[9-10]通过对电机终端的功率谱密度的研究分析从而达到对叶片的不平衡和缺陷进行诊断的目的。
TsaiCS[11]则通过对小波变换等手段对发电机功率谱进行处理,并利用类似文献[12-13]中的技术对叶片的损害进行分析。
雷击故障是叶片较为重要的一种故障,KramerSGM[14]指出通过对发电机的终端输出进行监测无法取得有效效果,因而作者提出采用光线电流传感网络辅助确定遭闪电损坏叶片的位置的方法,并取得良好效果。
通常情况下,风电机组一般安置在风能较大而没有遮挡物的山口、荒郊野外或是近海滩涂等地,因此风力发电机的工作环境较为恶劣,损坏率很高。
在用电高峰期,发电机齿轮箱将长期处于复杂交变负荷下工作,致使原本就属于故障高发部件的齿轮箱故障更加频繁,造成大量经济损失,因此很多学者投入到对齿轮箱故障的诊断研究中。
MohantyAR[15]利用解调异步电机电流信号的方法对齿轮箱故障进行诊断,并通过对信号幅值和频率的解调达到监测转轴旋转频率的目的,然后借助小波变换等处理手段对解调的信号进行降噪和滤波,之后通过对某一特定层次的谱分析达到对齿轮箱的故障诊断目的,并取得一定效果。
ErenL[16]的研究发现一种可以用于调制定子电流的轴承缺陷信息,借助
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- 燕山 大学 毕业设计 齿轮箱 振动 频率 特征 分析 方法 研究