基于散度指標的變工況風電行星齒輪箱故障診斷方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于旋轉機械故障診斷技術領域，尤其涉及一種基于散度指標的變工況風 電行星齒輪箱故障診斷方法，特別適用于變工況風電行星齒輪箱的故障診斷領域。
【背景技術】
[0002] 行星齒輪箱廣泛的應用于風力發電機組中，在實際運行中，行星齒輪箱不僅承受 動態的重載負荷的影響，同時運行工況頻繁的變化，使得其在運行過程中極其容易發生故 障，其中太陽輪、行星輪、齒圈等關鍵零部件容易出現損傷故障對齒輪箱的影響非常巨大。 因此，對其開展檢測診斷對于保障風力發電機組安全高效穩定運行至關重要。但是，目前提 出的時間同步平均、包絡解調、倒譜、小波變換、Hi lbert-Huang變換等多種診斷方法主要針 對傳統的定軸齒輪箱，行星齒輪箱的獨特結構和運動特點使得其振動信號比傳統的定軸齒 輪箱更為復雜，故障診斷的難度較大，不可照搬直接應用。
[0003] 行星齒輪箱不同于各個齒輪以其固定的中心軸旋轉的定軸傳動齒輪箱。行星齒輪 傳動系統由太陽輪、多個行星輪、內齒圈和行星架等結構組成。通常內齒圈固定不動，太陽 輪繞自身的中心軸旋轉，而幾個行星輪不僅繞各自的中心軸自轉，而且圍繞太陽輪的中心 軸公轉，同時與太陽輪和內齒圈嚙合，其齒輪運動的典型復合運動，使其振動響應比定軸傳 動齒輪箱更為復雜，因此，對于行星齒輪進行相應的故障診斷將具有更大的難度。

【發明內容】

[0004] 針對現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于散度指標的變工況風電行星齒 輪箱故障診斷方法，是針對變工況下風電行星齒輪箱，以散度指標為特征參數的故障診斷 方法，確切地說是一種可以同時實現行星齒輪箱故障模式的識別以及故障嚴重程度量化的 故障診斷方法。目的是通過對振動信號進行階比重采樣，避免變工況對振動信號造成不平 穩的影響，使得經過頻譜分析后的頻譜圖不受變工況的影響。通過故障機理分析，確定行星 齒輪箱的故障特征集合，計算故障樣本與正常標準樣本之間的散度值，通過觀察不同故障 特征集合所對應的散度值的變化情況，確定行星齒輪箱的故障模式以及故障的嚴重程度， 本方法具有較高的靈敏度，可以避免查看復雜的頻譜圖形，減輕風電運維人員的工作難度。
[0005] 為了達到上述發明目的，本發明的技術方案是這樣實現的：
[0006] 基于散度指標的變工況風電行星齒輪箱故障診斷方法，具體操作步驟如下：
[0007] (1)根據階比重采樣技術，將變工況風電行星齒輪箱傳感器所采集的振動信號進 行預處理，將非線性、非平穩的時域信號轉化為具有平穩性的角域信號;是基于線性插值方 法的非平穩振動時域信號的階比重構技術，將等時間間隔采樣的非平穩振動時域信號轉化 為具有平穩特性的角域振動信號，保證行星齒輪箱振動角域信號的整周期性;EMD經驗模態 分解方法根據信號的局部時變特性，自適應的將任意一個復雜信號分解為一系列分量，通 過相關系數法則對信號進行重構，剔除原始信號中的干擾成分；
[0008] (2)行星齒輪箱不同于傳統定軸齒輪箱，針對其結構的特點及診斷的難度，將行星 齒輪箱的故障分級進行診斷;行星輪系的故障分為兩類:分布故障和局部故障;對行星輪系 的分布故障和局部故障的特征頻率的進行分析計算，形成一個頻率集合，并在階比重采樣 的技術下，頻率轉化為階比，相應的故障特征階比不會隨工況的變化而變化，形成固定的故 障特征集合；
[0009] (3)提取故障特征集合；以行星齒輪箱為研究對象，按齒輪級數把行星齒輪箱分為 三級:一級行星輪系、二級行星輪系和平行級;并按故障模式總體分為分布故障和局部故障 兩類，最終把行星齒輪箱的故障特征集合分為5個子集合，此時把平行級齒輪故障集合歸結 為一個子集合，由此實現對行星齒輪箱的分級分類診斷；
[0010] ⑷故障診斷參數；由J-散度和KL-散度兩個散度值的計算過程可以看出，兩個散 度值可以計算兩個樣本之間的差異程度;根據行星齒輪箱在處于正常狀態和故障狀態時其 故障特征階比所對應的幅值會發生變化，計算步驟(3)中得到的5個子集合中故障特征階比 所對應的幅值之間的散度值變化，即可實現對行星齒輪箱的故障診斷；可以說明散度值可 以充分作為行星齒輪箱故障診斷的特征參數；
[0011] (5)實驗驗證；以行星齒輪箱處于正常運行狀態時的振動數據為正常標準樣本，計 算不同級數、不同故障模式下的散度指標，通過觀察各故障特征集合所對應的散度指標值 的變化情況，實現對行星齒輪箱故障模式以及嚴重程度的識別；即利用J-散度和KL-散度， 通過對風電行星齒輪箱處于不同狀態下的故障特征集合所對應的幅值進行計算，一次性實 現了風電行星齒輪箱故障模式的識別以及故障嚴重程度的量化，避免故障診斷分析過程中 的重復操作;通過對行星齒輪箱不同運行狀態下的振動數據按步驟（1)、（3)所述計算散度 指標，發現散度指標J-散度和KL-散度可以作為復雜結構行星齒輪箱的故障診斷參數，并最 終總結出針對行星齒輪箱的故障診斷流程。
[0012] 根據步驟（1)所述的根據階比重采樣技術，將變工況風電行星齒輪箱傳感器所采 集的振動信號進行預處理;風電機組行星齒輪箱處于變轉速、變工況的工作環境下，其采集 的振動信號為非平穩信號，如直接進行頻譜分析，很難得到清晰的頻譜圖，這對齒輪箱的故 障診斷產生很大的困難，為了得到清晰正確的頻譜圖，采用階比重采樣技術對振動信號進 行角域重采樣，得到的頻譜圖中的階比固定不變，便于對振動信號的分析；
[0013]階比重采樣技術的核心在于獲得相對參考軸的恒定角增量采樣數據，因此需要能 準確獲得階次采樣的時刻及相應的基準轉速，即實現階次跟蹤;常見的階次跟蹤方法有硬 件階次跟蹤法、計算階次跟蹤法和基于瞬時頻率估計的階次跟蹤法;本發明采用計算階次 跟蹤法，實現振動信號的重采樣計算；
[0014] 實際的齒輪箱振動信號一般情況下都含有多種干擾成分，這就使得其故障特征的 提取變得比較困難;經驗模態分解(EmpiricalMode Decomposition，EMD)可以根據信號的 局部時變特性，自適應的將任意一個復雜信號分解為一系列分量，通過相關系數法則對信 號進行重構，剔除原始信號中的干擾成分；
[0015] 當齒輪發生故障時，其振動信號都具有調制特征，從信號中提取調制信息，并分析 其強度和頻次就可以判斷故障的部位和損傷程度;信號包絡譜，可反映周期性的沖擊及其 劇烈程度。
[0016] 根據步驟(2)所述，行星齒輪箱不同于傳統定軸齒輪箱，針對其結構的特點及診斷 的難度，將行星齒輪箱的故障分級進行診斷;實現行星輪故障特征頻率計算;風電機組齒輪 增速箱結構多樣，傳動比大，為減小齒輪箱的尺寸，一般為行星齒輪結構，本發明對某一風 電機組行星齒輪箱進行分析，其風電行星齒輪箱由兩級行星輪、一級平行齒輪構成；
[0017] 風電機組行星齒輪箱的兩級行星輪系和平行級齒輪結構；
[0018] 對于行星輪系和平行級齒輪，其故障可分為局部故障和分布式故障；在單級行星 齒輪箱中，太陽輪-行星輪和行星輪-齒圈兩種嚙合副的嚙合頻率相同；通常齒圈固定不動， 太陽輪、行星輪和行星架旋轉，在這種情況下，嚙合頻率：
[0019] fm=fcZr= (fs(r)-fc)Zs (1);
[0020] 式中：ZjPZs分別為齒圈和太陽輪的齒數;fm為嚙合頻率;f。為行星架的旋轉頻率； fsW為太陽輪的絕對旋轉頻率；
[00211太星輪局部故障特征頻率為：
[0022]
(2);
[0023] 式中：fm為嚙合頻率;Zs為太陽輪齒數;N為行星輪數量，fs為太陽輪局部故障特征 頻率;行星輪局部故障特征頻率為：
[0024]
(3)；
[0025] 式中：fm為嚙合頻率;ZPS行星輪齒數;fP為行星輪局部故障特征頻率;齒圈局部故 障特征頻率為：
[0026]
(4)；
[0027]式中：fm為嚙合頻率;fr為齒圈局部故障特征頻率;N為行星輪數量，Zr為齒圈齒數。
[0028] 行星齒輪箱中各種齒輪的分布式故障特征頻率等于齒輪相對行星架(太陽輪和齒 圈故障）或齒圈（行星輪故障）的旋轉頻率。已知行星齒輪箱的嚙合頻率fdP某個齒輪的齒 數Z g，則該齒輪相對行星架(太陽輪和齒圈故障)或齒圈(行星輪故障）的旋轉頻率：
[0029] fg = fm/Zg (5)；
[0030] fg該齒輪相對行星架(太陽輪和齒圈故障）或齒圈（行星輪故障）的旋轉頻率，zgs 某個齒輪的齒數;則太陽輪、行星輪和齒圈分布式故障的特征頻率分別為：
[0031] fs-=fm/Zs (6)；
[0032] fp-=fm/ZP (7)；
[0033] fr-=fm/Zr (8)；
[0034] 式中：fm為嚙合頻率;f s，、f P，、f r，太陽輪、行星輪和齒圈分布式故障的特征頻率;Zs 為太陽輪齒數;ZP為行星輪的齒數;Zr為齒圈齒數；
[0035] 以與主軸相連接的一級行星輪系的行星架為參考轉速，對行星齒輪箱中各級的各 個齒輪的局部故障和分布故障的特征階比進行計算。
[0036]根據步驟(3)所述的行星齒輪箱故障特征量的提取;行星輪系局部故障，可分為太 陽輪局部故障、行星輪局部故障和內齒圈局部故障；
[0037]對于太陽輪局部故障振動信號，在包絡譜中，峰值出現在太陽輪的局部故障特征 頻率fs、太陽輪的絕對旋轉頻率f戶\以及它們的組合fs±f戶> 等位置處;若考慮太陽輪局 部故障特征頻率的倍頻和太陽輪絕對旋轉頻率的倍頻作為調制頻率的情形，則在包絡譜 中，峰值將出現在太陽輪局部故障特征頻率及其倍頻nfs、太陽輪的絕對旋轉頻率及其倍頻 mfs(lr)、及其組合nfs±mfs (lr)等位置處；
[0038]對于行星輪局部故障，在包絡譜中，峰值出現在行星輪局部故障特征頻率fP、行星 架的旋轉頻率f。、以及它們的fp±f。組合等位置處，若考慮行星輪局部故障特征頻率的倍頻 和行星架旋轉頻率的倍頻作為調制頻率的情形，則在包絡譜中，峰值將出現在行星輪局部 故障特征頻率及其倍頻nfp、行星架的旋轉頻率及其倍頻mf c、以及它們的組合nf p ±mf c等位 置處；
[0039] 對于齒圈局部故障，在包絡譜中，峰值出現在齒圈局部故障特征頻率fr位置處，若 考慮齒圈局部故障特征頻率的倍頻作為調制頻率的情形，則在包絡譜中，峰值將出現在齒 圈局部故障特征頻率及其倍頻nf r位置處；
[0040] 行星輪系發生分布故障，在包絡譜中，峰值出現在齒輪分布式故障特征頻率fg、行 星輪通過頻率Nfc、及其組合f g±Nfc位置處;若考慮齒輪分布式故障特征頻率的倍頻和行星 輪通過頻率的倍頻作為調制頻率的情形，則在包絡譜中，峰值將出現在齒輪分布式故障特 征頻率及其倍頻nf g(n為正整數）、行星輪通過頻率及其倍頻mNfc(m為正整數）、以及它們的 組合nfg±mNf c位置處；
[0041 ]定軸齒輪發生包括齒根部有較大裂紋、局部齒面磨損、輪齒折斷、局部齒形誤差局 部故障時，其振動信號波形是以齒輪旋轉頻率為周期的沖擊脈沖，在頻率域表現為包含旋 轉頻率的各次諧波mfr(m=l，2, · · ·）、各階嚙合頻率nfm(n=l，2, · · ·）以及以故障齒 輪的旋轉頻率為間隔的邊頻nfm土mfr(n，m=l，2· · ·);
[0042] 定軸齒輪發生分布故障時，其頻域特征表現為嚙合頻率及其諧波分量nfm(n= 1， 2，· ··）在頻譜圖上的位置保持不變，但其幅值