风电齿轮箱振动信号串联调制建模与应用

作     者：佟源 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武英杰

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：风电齿轮箱 幅值调制 频率调制 现象学建模 

摘      要：风电齿轮箱作为机组的关键部件,一旦因故障下塔,将严重影响机组发电量。风电齿轮箱多级传动结构导致振动监测信号存在特殊的调制现象,已有的单级轮系信号模型不能完全描述该现象。本文围绕振动信号在正常状态与故障状态下进行现象学建模,提出不同于单级轮系的级间耦合调制模型,主要工作如下: (1)针对Hilbert包络解调存在载波频率相加减的问题,进行单载波信号和多载波信号仿真研究。分别对单载波多调制和多载波单调制信号进行Hilbert包络解调分析,实验结果表明:对多载波信号包络解调时,会出现载波频率相加减的频率成分;对单载波信号包络解调时,不会出现载波频率相加减的频率成分。本文所提的信号模型均为单载波多调制信号。 (2)通过对实验台振动数据和实际风场振动数据进行分析发现:在正常状态的幅值解调谱和频率解调谱中,在低速轴转频、高速轴转频以及低速轴与高速轴转频相加,减对应的频率周围均存在间隔为一级太阳轮转频的边带;在正常状态下,三级啮合频率周围存在间隔为低速轴和高速轴转频的边带,即一级太阳轮、低速轴、高速轴呈现三级间串联调制;在平行级小齿轮断齿故障的幅值解调谱和频率解调谱中,在低速轴转频和高速轴转频周围存在间隔为低速轴半倍频的边带。 (3)在以上振动信号分析基础上,提出了正常状态下与平行级故障状态下的三级间振动信号幅值-频率耦合调制模型。仿真结果表明:正常状态下,在幅值解调谱和频率解调谱中均存在一级太阳轮转频调制低速轴转频、高速轴转频、高速轴与低速轴转频相加、减对应的频率,呈现幅值串联调制与频率串联调制。在故障状态下,在幅值解调谱和频率解调谱中均存在低速轴半倍频转频调制低速轴转频和高速轴转频,呈现幅值串联调制与频率串联调制。通过仿真信号和实验信号在幅值解调谱和频率解调谱中的级间串联调制现象一致,验证了所提模型的合理性,为提高风电齿轮箱故障诊断准确性提供参考。 (4)提出一种耦合调制特性边带能量指标,用于耦合调制特性模型评价。将实验台正常、故障状态、实际风场正常、故障状态下的低速轴、高速轴转频周围的一级太阳轮边带进行相加取均值构建耦合调制特性边带能量指标。幅值解调谱中耦合调制特性边带能量指标分别为0.52、0.12、0.42、0.46,频率解调谱中耦合调制特性边带能量指标分别为1.02、1.04、1.25、1.18。实验结果表明:频率耦合调制现象在四种状态下尤为明显,且更接近于仿真信号。同时,将三级啮合频率周围的低速轴、高速轴及倍频的能量相加和三级啮合频率的能量作比值,构造边带能量比,实验结果表明:齿轮箱状态和风速可以影响边带能量比的大小,可以有效区分齿轮箱正常状态和故障状态。