基于LabVIEW的倒频谱与包络谱分析在风电机组齿轮箱故障诊断中的应用-论文.pdf

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1、化工自动化及仪表第40卷基于LabVIEW的倒频谱与包络谱分析在风电机组齿轮箱故障诊断中的应用吕跃刚赵倩男刘俊承(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206)摘要风力发电机组的齿轮箱许多故障信息以调制形式存在于振动信号之中，在此利用LabVIEW强大的信号分析功能对齿轮箱振动信号进行分析，开发出基于倒频谱与包络谱分析的齿轮箱故障诊断系统。试验结果表明：倒频谱与包络谱分析可以有效诊断出齿轮箱的故障信息。关键词齿轮箱故障诊断倒频谱包络谱分析故障信息LabVIEW中圈分类号TH862．7文献标识码B文章编号1000—3932(2013)07

2、-0864-04随着社会和经济的发展能源消耗也急剧增了，其功能是将风轮产生的动力传递给发电机，帮长，风能作为清洁能源，在新能源的开发利用中越助其达到相应的转速。某风场所用齿轮箱的结构来越受到青睐。然而，风电机组通常运行在比较如图1所示。恶劣的环境，齿轮箱作为升速型风电机的重要部件损坏率极高，而且是更换维修时费用最高的部速轴件之一。齿轮箱一旦发生故障将会导致机组停止运行，导致巨大的经济损失。因此，对齿轮箱进行监测及早发现并分析其具体故障原因并精确定位转子侧故障部位是非常必要的。风电机组齿轮箱传动级数多、结构复杂。齿轮箱在正常运行时，其幅值与频谱

3、都处于正常范围，一旦出现故障(如断齿，磨低速大齿损、点蚀及滚动轴承的疲劳剥落)就会有周期性图1齿轮箱结构脉冲冲击力，从而产生振动信号调制现象，在频谱因工业现场被测试条件和分析技术所限，齿上表现为啮合频率或固有频率两侧出现均匀的调轮的振动是目前公认的最佳征兆提取量，它对齿制边频带⋯。倒频谱能识别幅值谱上的周期结轮箱的状态变化反应迅速、真实又全面。因此，研构，分离和提取难以识别的密集调制信号的周期究齿轮与齿轮箱的振动机理，分析其振动信号的成分；而包络解调分析能从信号中提取调制信息，频率成分，对于齿轮箱故障诊断来说有着重要的分析其强度和频率，再结合

4、齿轮箱的振动特性，就意义。能判断出齿轮箱的故障部位和损伤程度。1．2齿轮箱振动故障模型笔者在分析齿轮箱振动信号的基础上，以齿轮传动的振动为齿轮啮合激励振动，主要LabVIEW作为开发环境，开发基于倒频谱与包络是啮合频率成分，可表示为：谱分析的齿轮箱故障诊断系统，并对其进行仿真M试验。()：m∑=Ocos(2mt妒)(1)式中(t)——测得的时域振动信号；1风电机组齿轮箱内部结构与故障振动模型——第m阶啮合频率谐波分量的幅1．1风电机组齿轮箱内部结构值；由于发电机转速与叶轮转速不一致，作为增速装置的齿轮箱在风电机组中就显得非常必要收稿日期：20

5、12-12-11第7期吕跃刚等．基于LabVIEW的倒频谱与包络谱分析在风电机组齿轮箱故障诊断中的应用865——齿轮的啮合频率；平均计算的结果，受载荷影响小且计算值相对稳——第m阶啮合频率谐波分量的相定，有效排除了载荷波动对故障判别的干扰。位。2．2Hilbert解包络原理齿轮存在分布缺陷或损伤时振动信号发生变Hilbert变换的一个主要应用是处理带通信号化，产生幅值和频率调制现象。的解调]。用Hilbert变换把一个实信号表示成幅值调制函数可表示为：复信号(即解析信号)，不仅方便了理论分析，更Ⅳ重要的是可以研究实信号的包络。(t)=∑Aco

6、s(2nt+)(2)简化式(4)，令相位等于零，则有：式中Amn——幅值调制函数第n阶分量的幅,(t)=[1+A1cos(2t)]cos(21rmf,t)(6)值；．模型(6)的Hlibert变换结果为：——缺陷齿轮所在轴的转动频率；未(￡)=[1+A．1cos(2=fot)]sin(2=mft)(7)——幅值调制函数第n阶分量的相⋯构成的解析函数如下：位。=(￡)+j冕(t)(8)相位调制函数可表示为：I(t)l=~／(t)+；(￡)=I1+Acos(2f)Ib=／~sin(2t)(3)(9)式中——调制频率；其中，lz(f)I为齿轮箱啮合

7、振动信号(￡)的——调制系数。包络，对l。(t)l进行频谱分析即可得到包络信号齿轮振动信号模型为：的包络谱，也就能够找到调制故障的原因了。(￡)=∑[1+n(￡)]cos[2耳mt+b(￡)]但包络谱可以将相加信号的频率之差作为调制频(4)率解出引起错误分析，这一点在分析中要引起注齿轮箱中的调制边频带含有很多有用的齿轮意。故障信息，因此能否识别信号的边频带特征并对2．3倒频谱与包络谱的LabVIEW实现调制现象进行分析，很大程度上决定了齿轮箱故应用LabVIEW中强大的信号分析模块编写障诊断的成败。倒频谱能识别出幅值谱上的周期程序。倒频谱分析

8、和包络谱分析在LabVIEW中成分。常用的解调方法有基于Hilber变换的包络的实现如图2、3所示。解调方法和广义检波滤波解调分析，笔者主要针对前者进行论述。2倒频