风电机组传动系统早期故障预示及诊断技术开题报告

1. 研究目的与意义

当今世界，全球气候变暖、化石能源枯竭以及能源供应安全形势日趋严峻，而可再生能源因其清洁、安全、可持续等的特点，在各国能源战略中的地位逐渐提升。在各种可再生能源中，风能是具有成本较低、技术成熟、可靠性较高以及对环境污染低等特点的清洁能源。风能作为一种清洁能源，他的开发利用受到了世界各国的广泛关注。

正是因为全球对清洁可再生能源的巨大需求以及风力发电装备制造技术的不断进步，全球风电装机容量也在不断地稳步提高。而随着风电行业的不断发展，问题也随之浮出水面，阻碍风电行业继续健康发展的一个重要因素是:与传统化石燃料相比，风电装备的单位能源产出需要更高的成本。所以降低风电机组的故障率，是提升风电机组发电效率的一系列措施中的重点。

而以齿轮箱为主的传动系统作为风电机组的最重要的部分，被称为风电机组的心脏，其重要程度不言而喻，传动系统的故障诊断对于整个风电系统而言，就是重中之重，如果能实现对风电机组传动系统早期故障预示及进行诊断，将大大提升风电机组的工作效率。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

对风电机组的工作原理进行阐述、对传动系统的组成部件进行了解和学习、了解现有诊断系统技术以及设计诊断系统并且实现早期发现故障；

1、简单阐述风电机组的工作原理:风力发电主要依靠风能转化来实现，其工作过程是将流动的风能由叶片吸收，将风能转化变成为机械能，接着通过传动系统将机械能转化变成为电能(整个发电过程与传统化石燃料发电的区别在于化石燃料是通过燃烧对水进行加热，从而产生高压水蒸汽，高压水蒸汽推动汽轮机,汽轮机带动发电机从而发电。风力发电省去了燃烧环节，保证了其清洁性)，然后输送到国家电网中，最后通过国家电网供给全社会使用。风电机组的工作原理如图1.1所示。

2、风力发电机组的主传动系统是将风能转化成为机械能再传送到发动机的传动装置。风电机组的传动系统的组成部件有主轴、齿轮箱、联轴器、制动器以及发电转子等。

1)主轴：主轴将风轮轮毂和齿轮箱连接，其作用就是把风轮的动能传递到齿轮副。

2)齿轮箱：齿轮箱是在风电机组中发挥着重要作用的一个机械部件，其主要作用是将风轮获取的风能转换成为机械能。齿轮箱还具有改变风轮在风力作用下所产生的动力而得到的转速，因为通常情况下，风轮的转速较低，远远达不到发电机所需要的转速，必须通过齿轮箱齿轮副来实现增速。

3） 制动联轴器：制动联轴器装置包括在齿轮箱候补高速轴上的一个液压盘时制动器，以及盘式制动器和发动机驱动轴之前的联轴器。如图2.1所示。制动装置在停机和紧急制动时可以起到保护和稳定停止的作用，起到工作时紧急停机作用以及非工作时作为锁定制动器使用。齿轮箱的输出轴通过弹性联轴器与电机轴相连接，驱动发电机转子转动，进而给发电机输入能量进行发电，其中联轴器起到了传递扭矩的作用，以及补偿同轴度误差，通过联轴器的柔性消除误差产生的影响。

4)发电转子：通过风轮传递到齿轮箱后产生的相应的转速，带动发电转子转动，起到发电的作用。

3、对故障产生的原因进行分析：由于风电机组的工作环境的特殊性，对于产生故障的原因，要从各方面进行探究。首先，风力发电机组多位于山区以及海上等恶劣地区，在大风天气，要面临的是由于大风引起的塔身摇晃和风轮转速过快、地震海啸等自然灾害而导致风电机组产生的振动，以及海上风电机组要面临盐雾对风电机组的腐蚀。再者就是机械结构内部的故障。齿轮箱作为升速型风电机组的重要组成部件，在使用过程中将承受静态和动态载荷，从而可能产生各种类型的故障。由于制造安装、操作维护、润滑、承载大小等方面的条件不同，故障发生的时间和程度也各不相同。据统计表面，齿轮箱中各种零件的损坏比例为：齿轮60%、轴承19%、轴10%、箱体7%、紧固件3%、油封1%。通常情况下，齿轮在投入使用后，由于齿轮制造不良或者操作维护不善，会产生各种形式的失效，各部件常见的失效形式见表1。

表1 齿轮箱各部件常见的失效形式

4、了解当前现有的风电装备状态监测技术，制定可行的方案，并设计状态监测系统实现早期故障预示以及进行诊断。对于自然因素引起的故障，可以通过提高风电机组整体刚性对抗振动以及提高密封性减小对风电机组内部的腐蚀，但是对于内部机械结构的故障分析，就需要状态监测技术来实现。

5、对重点监测对象的分析以及状态监测系统的功能

预期目标：制定方案和设计状态监测系统，实现对传动系统的早期故障预示以及诊断。由于齿轮箱的重要性，设计的诊断系统主要是对齿轮箱进行状态监测。

齿轮箱内故障率最高的齿轮时重点监测的对象。实际工程中是没有孤立的齿轮副，所有的齿轮副都需要安装到齿轮箱中或者安装到特定的支架上，还需要配以轴承或轴瓦。因此，对齿轮的故障诊断实际上就是对齿轮箱的故障诊断。没有缺陷的正常齿轮，其振动主要是由于齿轮自身的刚度引起的。齿轮故障可分为均匀磨损、齿轮偏心、齿轮不同轴、齿轮局部异常、齿距误差以及不平衡齿轮等。设计的状态监测系统就需要将齿轮工作时的信号进行采集并分析，从而实现故障预示及诊断。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

制定方案和设计可靠的状态监测系统，对齿轮箱中正在工作齿轮进行信号采集并对其信号的时域特征和频域特性进行分析。表2是常见的几种齿轮故障的振动时域波形、频谱特征的对照。

表2 常见的齿轮故障的振动时域波形、频谱特征的对照

4. 参考文献

[1] 严峻.大型风电机组传动系统故障诊断及状态监测研究[d].天津：天津工业大学，2011.

[2] 齐春祥.基于振动的风电机组传动链故障诊断系统设计[d].大连：大连理工大学，2018.

[3] 陈雪峰、郭艳婕等.风电装备故障诊断与健康监测研究综述[r].长沙：长沙理工大学，广州：广州特种承压设备监测研究所，2020.

5. 计划与进度安排

1) 2022-12-20～2022-2-24 查阅文献资料，进行文献综述，翻译英文文献。

2) 2022-2-25～2022-3-20 撰写开题报告，初步了解风电机组工作原理以及传动系统及其部件；对现有哪些风电机组状态监测进行了解；并关于如何早期发现故障制定相应的方案；

3) 2022-3-21～2022-4-10 查阅相关资料，进一步了解风电机组的工作原理以及传动系统及其部件，并撰写研究报告；