專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)故障模擬實驗臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械傳動系統(tǒng)故障模擬實驗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)的故障模擬裝置。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電具有低碳環(huán)保、資源可再生等優(yōu)點，受到了世界各國的高度重視。我國風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展，2010年我國新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到18927. 99麗，累計裝機(jī)容量達(dá)到 44733.四麗，雙居全球第一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為風(fēng)能發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，其自動化程度高，價格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境惡劣，機(jī)艙離地較高，一旦發(fā)生故障或損傷，將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能引發(fā)災(zāi)難性事故。陸地上一臺1.5MW的大型風(fēng)機(jī)，塔架高達(dá)70m左右，齒輪箱重15t左右，如果齒輪箱發(fā)生故障，僅拆裝費用就高達(dá)70萬元以上，如果再加上運(yùn)輸和維修費用，則至少高達(dá)100萬元，這相當(dāng)于風(fēng)機(jī)生產(chǎn)總成本的10 % 20 %，而且還會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)數(shù)月之久，給風(fēng)場的生產(chǎn)帶來巨大的損失。海上風(fēng)機(jī)由于拆裝的困難，維護(hù)需要出動大型輪船和坦克吊車，甚至調(diào)動直升機(jī)，其維護(hù)成本至少是陸地的2倍以上。據(jù)統(tǒng)計，由傳動系統(tǒng)造成的故障占風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障總次數(shù)的50%左右。然而，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不但受隨機(jī)的空氣動力載荷、慣性力以及不同運(yùn)行狀態(tài)引起的動態(tài)載荷等的作用；而且其內(nèi)部是集機(jī)械、 電子、電氣、液壓于一體的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，這使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動系統(tǒng)損傷檢測，特別是行星齒輪箱的故障識別尤為困難。因此，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法對保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行具有重要的意義。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再借助行星齒輪增速將低轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機(jī)所需的高轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。增速傳動系統(tǒng)是影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件，目前使用的行星齒輪增速箱多為“一行星兩平行”結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱采用行星齒輪傳動，復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)合的傳遞運(yùn)動使得故障特征相互調(diào)制和耦合，給故障識別帶來難度，而目前尚缺乏增速行星齒輪系統(tǒng)的損傷機(jī)理及其相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測方法等理論研究。所以，在缺少相應(yīng)的理論依據(jù)和技術(shù)支持的前提下，簡單地照搬現(xiàn)有的這些故障診斷方法去“診斷”行星齒輪增速箱的故障，難免不會出現(xiàn)“盲人摸象”的現(xiàn)象，結(jié)論往往難以令人信服。因此需要針對行星齒輪增速箱的結(jié)構(gòu)特點研究其故障機(jī)理和失效準(zhǔn)則，研究變載、變轉(zhuǎn)速下的振動信號處理與特征提取方法，準(zhǔn)確識別和定位故障源。在對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行星齒輪增速系統(tǒng)的故障機(jī)理和診斷方法理論進(jìn)行研究的同時，需要對理論分析結(jié)果進(jìn)行實驗驗證。而現(xiàn)有的一些機(jī)械傳動系統(tǒng)的故障模擬裝置，很少涉及齒輪增速傳動，更沒有涉及到行星齒輪增速。換言之，目前尚未有風(fēng)力發(fā)電組行星增速傳動系統(tǒng)的故障模擬實驗裝置用于研究分析，因此本發(fā)明的提出，彌補(bǔ)了行星齒輪增速傳動系統(tǒng)實驗裝置的空白，并且克服了在大增速比下，行星齒輪增速箱容易“自鎖”的缺陷， 并通過合理配置增速傳動系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了傳動比分配不合適所造成的行星齒輪受力情況苛刻，更易發(fā)生損傷的不足，而且通過變頻器可以控制變頻減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速在 10r/min 22. 5r/min范圍內(nèi)間斷或連續(xù)變化，不但可以模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時葉
3輪轉(zhuǎn)子的輸入轉(zhuǎn)速，而且可以模擬變槳變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且通過磁粉制動器模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時的動態(tài)負(fù)載，從而使得模擬實驗臺的運(yùn)行狀態(tài)最大程度的接近風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)的實際運(yùn)轉(zhuǎn)情況。本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)故障模擬實驗臺對研究增速行星齒輪箱的故障機(jī)理和失效準(zhǔn)則，研究變載、變轉(zhuǎn)速下的振動信號處理與特征提取方法，準(zhǔn)確識別和定位故障源，具有重要的工程應(yīng)用價值，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行星齒輪增速箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行星齒輪增速箱狀態(tài)監(jiān)測和故障識別存在的不足提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)故障模擬實驗臺，用于模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱行星增速部分行星輪、太陽輪、行星架、軸承的單獨或復(fù)合故障，平行軸增速部分齒輪、軸承的單獨或復(fù)合故障以及行星增速部分和平行軸增速部分齒輪、軸承的耦合故障，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行星增速箱故障損傷機(jī)理和失效準(zhǔn)則，研究變載、變轉(zhuǎn)速下振動信號處理與特征提取方法，形成一整套關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行星增速箱故障信號采集、故障識別、定位故障源及定量診斷等方法，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測提供理論依據(jù)及技術(shù)指導(dǎo)，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，避免惡性事故的發(fā)生，提高經(jīng)濟(jì)和社會效益。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下該實驗臺由實驗平臺、變頻器、變頻電機(jī)、減速器、一級行星齒輪增速箱、兩級平行軸齒輪增速箱、磁粉制動器組成，變頻電機(jī)與減速器連接，減速器與一級行星齒輪增速箱連接，一級行星齒輪增速箱與兩級平行軸齒輪增速箱連接，兩級平行軸齒輪增速箱與磁粉制動器連接，變頻電機(jī)、減速器、一級行星齒輪增速箱、兩級平行軸齒輪增速箱、磁粉制動器全部安裝于實驗平臺上。減速器的輸出轉(zhuǎn)速在lOr/min 22. 5r/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。一級行星齒輪增速箱和兩級平行軸齒輪增速箱是分離的。一級行星齒輪箱和平行軸齒輪箱均為增速齒輪箱，其傳動比依次為1 5和 1 19，總傳動比為1 95。一級行星齒輪增速箱采用外齒圈固定，行星架輸入，太陽輪輸出的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得在整個實驗過程中，可以最大程度的模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)時增速傳動系統(tǒng)的實際運(yùn)行狀態(tài)，從而為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)的故障機(jī)理和狀態(tài)檢測方法等理論研究提供有效地技術(shù)支持。本發(fā)明的優(yōu)點是1.本發(fā)明彌補(bǔ)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行星增速傳動系統(tǒng)故障模擬實驗裝置的空白，通過該實驗臺可以研究行星齒輪增速傳動系統(tǒng)在多種運(yùn)行工況下的故障損傷機(jī)理和狀態(tài)檢測方法；2. 一級行星齒輪箱與兩級平行軸齒輪箱的增速設(shè)計與現(xiàn)有大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱結(jié)構(gòu)相一致，總傳動比為1 95;3.行星齒輪增速部分與平行軸齒輪增速部分分離，易于研究各自的故障特點和損傷機(jī)理，便于識別各自或復(fù)合故障；
4.可以控制變頻減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速在lOr/min 22. 5r/min范圍內(nèi)變化，用于模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪的實際輸入轉(zhuǎn)速；5.通過連續(xù)控制變頻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速可以模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)， 用于研究在變轉(zhuǎn)速下，行星齒輪增速箱的狀態(tài)監(jiān)測方法和故障演化機(jī)理。


圖1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)故障模擬實驗臺的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地說明。參考圖1，一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)故障模擬裝置，主要有實驗平臺1、變頻器2、變頻電機(jī)3、減速器4、一級行星齒輪增速箱5、兩級平行軸齒輪增速箱6、磁粉制動器 7。其中，實驗平臺1用于放置變頻器2、變頻電機(jī)3、減速器4、一級行星齒輪增速箱 5、兩級平行軸齒輪增速箱6、磁粉制動器7 ；變頻器2，變頻電機(jī)3和減速器4構(gòu)成變頻減速電機(jī)，通過變頻器2控制變頻減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速在lOr/min 22. 5r/min范圍內(nèi)間斷或連續(xù)變化，用于模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在切入、切出風(fēng)速下葉輪轉(zhuǎn)子的輸入轉(zhuǎn)速或風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變工況運(yùn)行狀態(tài)；此輸出轉(zhuǎn)速不但包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)時葉輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，同時也可實現(xiàn)極端情況下的葉輪轉(zhuǎn)速模擬，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的失速；一級行星齒輪增速箱5的輸入端與減速器4的輸出端連接，其輸出端與兩級平行軸齒輪增速箱6的輸入端連接，用于模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組“一行星兩平行”的齒輪增速系統(tǒng)， 實現(xiàn)低輸入轉(zhuǎn)速到高輸出轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換，同時模擬增速傳動系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種齒輪、軸承等單獨或復(fù)合故障；典型的模擬項目為①行星齒輪增速箱行星輪、太陽輪的磨損、點蝕、裂紋、斷齒等單一故障或復(fù)合故障模擬實驗；②平行軸齒輪增速箱齒輪的磨損、點蝕、裂紋、斷齒等單一故障或復(fù)合故障模擬實驗；③軸承的磨損、點蝕、劃痕等故障模擬實驗；④齒輪與軸承的復(fù)合故障模擬實驗；磁粉制動器7與兩級平行軸齒輪增速箱6的輸出端連接，用于模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時產(chǎn)生的動態(tài)負(fù)載，使得齒輪增速系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)最大程度的接近實際風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)的運(yùn)行情況。通過改變變頻減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，可以方便的研究不同轉(zhuǎn)速下復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和傳遞路線對齒輪增速系統(tǒng)中齒輪、軸承振動信號時頻域特征的影響以及頻繁的變速對齒輪、軸承運(yùn)行狀態(tài)的影響，研究變工況運(yùn)行下增速系統(tǒng)中齒輪、軸承的損傷演化機(jī)理；通過更換典型故障的齒輪、軸承可以方便的研究復(fù)合傳遞路徑對故障特征的影響以及行星齒輪增速系統(tǒng)中多故障特征耦合的特點，研究變轉(zhuǎn)速下，單一故障或耦合故障的振動信號特征提取方法。下面以定轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)下，行星齒輪箱太陽輪故障實驗為例，實驗流程如下順序連接實驗平臺上無故障狀態(tài)的各個組件，并確保各個聯(lián)軸器的同軸度。接通電源，緩慢調(diào)整變頻器，控制變頻減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為lOr/min左右，觀察實驗裝置總體及各個部件的振動情況和噪聲，保證實驗臺正常平穩(wěn)地運(yùn)行，防止因連接失誤或某部件的意外損壞等給實驗結(jié)果帶來的影響。在確保實驗裝置平穩(wěn)可靠運(yùn)行的前提下，將變頻減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速調(diào)至最低后斷開電源。斷開行星齒輪箱與減速器、平行軸齒輪箱的聯(lián)接，用典型模擬故障太陽輪替換行星齒輪箱的正常太陽輪后重新連接實驗臺，在確保連接正常的情況下，再次啟動電源。開始啟動時，控制變頻減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速緩慢增加到lOr/min左右，并觀察實驗裝置各個部件的振動和噪聲，防止因連接不當(dāng)對實驗裝置帶來的損傷。在確定實驗裝置可靠平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，通過變頻器控制變頻減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為18r/min， 此時該轉(zhuǎn)速與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時輸入轉(zhuǎn)速相接近，通過安裝在行星齒輪箱上的振動加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集并保存行星齒輪箱的振動信號用于后續(xù)的分析研究。做完實驗后，將變頻減速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速調(diào)至最低后斷開電源。通過一系列故障模擬實驗，該實驗臺可用于研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)的故障建模與損傷演化機(jī)理，研究變載、變速下振動信號處理與特征提取方法，研究級聯(lián)情況下的多特征耦合，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測提供理論及技術(shù)支持，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)故障模擬實驗臺，其特征在于該實驗臺由實驗平臺(1)、變頻器( 、變頻電機(jī)( 、減速器(4)、一級行星齒輪增速箱( 、兩級平行軸齒輪增速箱(6)、磁粉制動器(7)組成，變頻電機(jī)C3)與減速器(4)連接，減速器(4)與一級行星齒輪增速箱( 連接，一級行星齒輪增速箱( 與兩級平行軸齒輪增速箱(6)連接，兩級平行軸齒輪增速箱(6)與磁粉制動器(7)連接，變頻電機(jī)(3)、減速器G)、一級行星齒輪增速箱 (5)、兩級平行軸齒輪增速箱(6)、磁粉制動器(7)全部安裝于實驗平臺(1)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)的故障模擬裝置，其特征在于 減速器的輸出轉(zhuǎn)速在lOr/min 22. 5r/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)的故障模擬裝置，其特征在于 一級行星齒輪增速箱( 和兩級平行軸齒輪增速箱(6)是分離的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)的故障模擬裝置，其特征在于 一級行星齒輪箱和平行軸齒輪箱均為增速齒輪箱，其傳動比依次為1 5和1 19，總傳動比為1 95。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)的故障模擬裝置，其特征在于 一級行星齒輪增速箱采用外齒圈固定，行星架輸入，太陽輪輸出的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)故障模擬實驗臺，該裝置由動力源、故障模擬兩部分組成。動力源由變頻器、變頻電機(jī)和減速器組成，用于模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時葉輪轉(zhuǎn)子的輸入轉(zhuǎn)速；故障模擬由一級行星齒輪增速箱、兩級平行軸齒輪增速箱和磁粉制動器組成，用于模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組“一行星兩平行”的齒輪增速傳動系統(tǒng)和動態(tài)負(fù)載。通過該實驗臺可以模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速傳動系統(tǒng)中行星增速部分行星輪、太陽輪、軸承以及平行軸增速部分齒輪、軸承等部件的單獨及復(fù)合故障，可用于研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱故障建模與損傷演化機(jī)理，研究變載變速下振動信號特征提取方法，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測提供理論及技術(shù)支持，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。
文檔編號G01M13/02GK102353534SQ201110179969
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者何正嘉, 方作為, 李繼猛, 程航, 陳雪峰 申請人:西安交通大學(xué)