海上風電齒輪箱故障診斷方法

王 凱

(交通運輸部煙臺打撈局 海工船隊機務科,山東 煙臺 264000)

0 引 言

海上風資源優于陸上風電，且通常更靠近能源消耗中心，近年海上風電快速發展，且由于近?？臻g資源有限，海上風電不斷地從淺近海走向深遠海。齒輪箱是造成風機停機時間最長的傳動件之一，齒輪箱大多數處于惡劣自然環境中，且維修費用昂貴，因此對其進行狀態監測與故障預警是非常必要的。齒輪箱故障診斷方法很多，其中作為機器的工作介質，油液系統是一個非常重要的部件，能最早反映齒輪箱的磨損情況，可用來判斷齒輪箱的運行狀況，此外，油液檢測不需要齒輪箱停機再進行檢查，可降低停機帶來的經濟損失[1]。

機器油液中的污染物主要包括懸浮在油中的微小固體顆粒、游離的水及溶解在其中的其他物質，以及游離在油液中的空氣氣泡等三大類型[2-4]。其中，微小固體顆粒來源于外部入侵的粉塵等微粒和機械機構運行過程中由摩擦產生的顆粒，后者會直接損壞元件表面，造成的危害最為嚴重，是造成故障的主要來源。當設備正常工作時，油液中的磨粒含量穩定在較低的水平，并且磨粒的粒徑較小，一般維持在10～20 μm；當設備發生異常磨損時，油液中磨粒的含量會顯著增加，粒徑會驟增至50～100 μm[5]。通過污染物檢測可獲得油液的質量信息和部件的磨損狀況，并可據此采取預防措施以避免災難性故障[6]。

油液檢測方法分為離線的實驗室測量和在線檢測方法兩種。實驗室測量方法包括鐵譜分析法、光譜分析法、污染重量測定法、濾網阻尼法和磁塞檢測法等，其中最常用的是鐵譜[7-8]和光譜[9-10]分析。實驗室測量方法可提供有關磨粒的全面和詳細的資料，但需要昂貴的設備、經驗豐富的專業人員和較長的時間周期。在線方法可提供快速檢測，光學檢測[11-12]和聲學檢測[13-14]是最常用的檢測方法。然而，在光學方法中，結果會受到油光透射率、油中的水或氣泡的影響，在聲學方法中，結果會受到環境噪聲、油溫的影響。當油液中存在金屬顆粒時，油液的電學性能如電導率、介電常數和磁導率發生變化，因此可通過監測油液的阻抗變化來檢測金屬顆粒[15]，其中監測由油液與磨粒之間的電導率[16-17]和介電常數[18-19]的差異引起的線圈阻抗變化稱為電阻及電容檢測方法。但油不導電且其受溫度影響比較大，因此基于電阻原理的油液檢測方法靈敏度不高，在電容檢測方法中檢測結果會受到水的干擾。電感檢測是常用的電學檢測方法之一，與電阻和電容檢測方法相比，可區分磨粒的電磁特性。線圈周圍會產生感應電磁場，當交流電通過螺線管線圈時，額外的電磁場會受到流經的金屬磨粒而激發，當磨粒流經電感線圈時，原電磁場和新產生的附加電磁場構成線圈周圍的電磁感應強度，從而引起線圈電感的改變。對于鐵磁磨粒，額外的電磁場由磁化和渦流的影響兩部分組成。鐵磁磨粒磁導率大，磁化作用比渦流作用大得多，會產生電感正脈沖，與磨粒大小有關。對于非鐵磁磨粒，相對磁導率約等于1，由于渦流的作用產生附加磁場，并產生與磨粒尺寸相關的電感負脈沖。本文根據鐵磁和非鐵磁磨粒的電磁屬性不同進行檢測，并搭建檢測油液磨粒的試驗臺，驗證所提方法的可行性。

1 試驗測試

如圖1所示，針對東海某風電場出現的齒輪箱損壞進行研究。打開齒輪箱發現油液內存在顆粒雜質，金屬雜質造成齒輪的加速磨損，超過了齒輪磨損的正常范圍，最后因過度磨損造成齒輪失效。采用油液離線分析方法對齒輪油進行較全面和連續的取樣。

圖1 風機齒輪箱故障

如圖2所示，在直徑較小的非導電管上面纏繞3組銅線電感線圈，在左右兩側銅線中通入方向相反的高頻交流電，使2個銅線圈產生的電磁場在中間線圈內的區域抵消，而處于中間區域的線圈用來檢測金屬磨粒。中間線圈檢測區域的基本電磁場為零，磨粒會在流經導管時引起中間檢測線圈阻抗的改變，以線圈電感的變化來檢測磨粒并區分磨粒的電磁屬性。利用信號發生器為電感線圈產生交流激勵源，將交流激勵源設置為499 kHz的固定激勵頻率。交流電源包含的測量電壓V0和已知電阻R0分別為9.64 V和50 Ω。在管中填充SAE 5W-30機油，通過注射泵將磨粒從管一側推入流經電感線圈。使用NI 6251 DAQ系統測量電感線圈兩端的輸出電壓V1，并使用LabVIEW監測線圈的阻抗變化。

圖2 三線圈電感傳感器

根據電路原理，輸出電壓的測定值與傳感器的電感L之間的關系為

(1)

式中：f為頻率。

因此，傳感器電感的變化可以通過電路測量電壓的變化進行判定。電感式傳感器的電磁場分布會隨著磨粒流經導管而改變，從而引起傳感器電感的改變。磁場的這種變化是由磨粒與被測試的油液之間的磁導率不同以及磨粒本身內部產生的渦流所致。若非鐵磁磨粒流過電感式傳感器，則會在顆粒內部產生一個降低線圈總磁通量，產生與原磁場相反的渦流場，從而引起電感降低而產生負電壓脈沖。試驗發現，磨粒中產生的渦流越大，線圈的AC激勵頻率越高，就會造成L和V1的下降幅度越大。若在傳感器中引入鐵磁磨粒，將產生2種相反方向的電磁場改變原線圈的磁場。一是相對磁導率較大的鐵磁金屬材料，相對于油液來說，磁導率明顯高一些，磨粒的鐵磁特性會增加線圈的磁通量，從而導致L和V1增加。二是磨粒內部產生渦流，與原來的電磁場方向相反，從而減少線圈電感L。對于鐵磁磨粒，高磁導率引起的磁通量增加占主導地位，使線圈的整體電感L增加，因此鐵磁顆粒引起的電感增加會產生一個正電壓脈沖。因此，鐵磁與非鐵磁磨?？赏ㄟ^輸出電壓脈沖的極性進行區分。

當半徑為500 μm的鐵、銅磨粒經過檢測線圈時，檢測電路輸出波形如圖3所示：波谷表示檢測到的是銅磨粒，波谷峰值電壓與檢測到的磨粒大小相對應；波峰表示檢測到的是鐵磨粒，磨粒大小對應波峰峰值電壓。圖3中2個信號片段為隨機的注射泵將磨粒從管一側推入電感線圈所得到的。

圖3 半徑為500 μm磨粒測試曲線

采用電感線圈分別檢測半徑為200 μm、300 μm、500 μm和700 μm的鐵、銅磨粒，測試結果如表1所示。

表1 磨粒測試結果 mV

表1中的檢測值為信號脈沖的幅值，對于鐵磁磨粒等于波峰值減去基值，對于非鐵磁磨粒等于波谷值減去基值。由表1可知，脈沖幅值的絕對值隨著粒徑的增大而增大。最大粒徑遠遠超過齒輪箱的規定安全值，從而判斷存在重大的故障。

2 結 論

提出采用電感式傳感器檢測油液中的金屬顆粒，從而診斷海上風電齒輪箱故障。進行200 μm、300 μm、500 μm、700 μm的鐵、銅磨粒試驗檢測，根據檢測電路輸出波形，用電壓和極性來檢測磨粒的大小和磁性，得到磨粒引起的線圈電壓變化：波谷表示檢測到的是非鐵磁磨粒，波谷峰值電壓對應檢測磨粒大??；波峰表示檢測到的是鐵磁磨粒，波峰峰值電壓對應檢測磨粒大小。鐵磁和非鐵磁磨粒引起的電壓變化為57.5 mV和-23.0 mV，273.0 mV和-109.0 mV，1 175.0 mV和-470.0 mV，以及3 500.0 mV和-1 400.0 mV。