基于散度指标的变工况风电行星齿轮箱故障诊断方法
【技术领域】
[0001]本发明属于旋转机械故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于散度指标的变工况风 电行星齿轮箱故障诊断方法，特别适用于变工况风电行星齿轮箱的故障诊断领域。
【背景技术】
[0002] 行星齿轮箱广泛的应用于风力发电机组中，在实际运行中，行星齿轮箱不仅承受 动态的重载负荷的影响，同时运行工况频繁的变化，使得其在运行过程中极其容易发生故 障，其中太阳轮、行星轮、齿圈等关键零部件容易出现损伤故障对齿轮箱的影响非常巨大。 因此，对其开展检测诊断对于保障风力发电机组安全高效稳定运行至关重要。但是，目前提 出的时间同步平均、包络解调、倒谱、小波变换、Hi lbert-Huang变换等多种诊断方法主要针 对传统的定轴齿轮箱，行星齿轮箱的独特结构和运动特点使得其振动信号比传统的定轴齿 轮箱更为复杂，故障诊断的难度较大，不可照搬直接应用。
[0003] 行星齿轮箱不同于各个齿轮以其固定的中心轴旋转的定轴传动齿轮箱。行星齿轮 传动系统由太阳轮、多个行星轮、内齿圈和行星架等结构组成。通常内齿圈固定不动，太阳 轮绕自身的中心轴旋转，而几个行星轮不仅绕各自的中心轴自转，而且围绕太阳轮的中心 轴公转，同时与太阳轮和内齿圈啮合，其齿轮运动的典型复合运动，使其振动响应比定轴传 动齿轮箱更为复杂，因此，对于行星齿轮进行相应的故障诊断将具有更大的难度。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于散度指标的变工况风电行星齿 轮箱故障诊断方法，是针对变工况下风电行星齿轮箱，以散度指标为特征参数的故障诊断 方法，确切地说是一种可以同时实现行星齿轮箱故障模式的识别以及故障严重程度量化的 故障诊断方法。目的是通过对振动信号进行阶比重采样，避免变工况对振动信号造成不平 稳的影响，使得经过频谱分析后的频谱图不受变工况的影响。通过故障机理分析，确定行星 齿轮箱的故障特征集合，计算故障样本与正常标准样本之间的散度值，通过观察不同故障 特征集合所对应的散度值的变化情况，确定行星齿轮箱的故障模式以及故障的严重程度， 本方法具有较高的灵敏度，可以避免查看复杂的频谱图形，减轻风电运维人员的工作难度。
[0005] 为了达到上述发明目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0006] 基于散度指标的变工况风电行星齿轮箱故障诊断方法，具体操作步骤如下：
[0007] (1)根据阶比重采样技术，将变工况风电行星齿轮箱传感器所采集的振动信号进 行预处理，将非线性、非平稳的时域信号转化为具有平稳性的角域信号;是基于线性插值方 法的非平稳振动时域信号的阶比重构技术，将等时间间隔采样的非平稳振动时域信号转化 为具有平稳特性的角域振动信号，保证行星齿轮箱振动角域信号的整周期性;EMD经验模态 分解方法根据信号的局部时变特性，自适应的将任意一个复杂信号分解为一系列分量，通 过相关系数法则对信号进行重构，剔除原始信号中的干扰成分；
[0008] (2)行星齿轮箱不同于传统定轴齿轮箱，针对其结构的特点及诊断的难度，将行星 齿轮箱的故障分级进行诊断;行星轮系的故障分为两类:分布故障和局部故障;对行星轮系 的分布故障和局部故障的特征频率的进行分析计算，形成一个频率集合，并在阶比重采样 的技术下，频率转化为阶比，相应的故障特征阶比不会随工况的变化而变化，形成固定的故 障特征集合；
[0009] (3)提取故障特征集合；以行星齿轮箱为研究对象，按齿轮级数把行星齿轮箱分为 三级:一级行星轮系、二级行星轮系和平行级;并按故障模式总体分为分布故障和局部故障 两类，最终把行星齿轮箱的故障特征集合分为5个子集合，此时把平行级齿轮故障集合归结 为一个子集合，由此实现对行星齿轮箱的分级分类诊断；
[0010] ⑷故障诊断参数；由J-散度和KL-散度两个散度值的计算过程可以看出，两个散 度值可以计算两个样本之间的差异程度;根据行星齿轮箱在处于正常状态和故障状态时其 故障特征阶比所对应的幅值会发生变化，计算步骤(3)中得到的5个子集合中故障特征阶比 所对应的幅值之间的散度值变化，即可实现对行星齿轮箱的故障诊断；可以说明散度值可 以充分作为行星齿轮箱故障诊断的特征参数；
[0011] (5)实验验证；以行星齿轮箱处于正常运行状态时的振动数据为正常标准样本，计 算不同级数、不同故障模式下的散度指标，通过观察各故障特征集合所对应的散度指标值 的变化情况，实现对行星齿轮箱故障模式以及严重程度的识别；即利用J-散度和KL-散度， 通过对风电行星齿轮箱处于不同状态下的故障特征集合所对应的幅值进行计算，一次性实 现了风电行星齿轮箱故障模式的识别以及故障严重程度的量化，避免故障诊断分析过程中 的重复操作;通过对行星齿轮箱不同运行状态下的振动数据按步骤（1)、（3)所述计算散度 指标，发现散度指标J-散度和KL-散度可以作为复杂结构行星齿轮箱的故障诊断参数，并最 终总结出针对行星齿轮箱的故障诊断流程。
[0012] 根据步骤（1)所述的根据阶比重采样技术，将变工况风电行星齿轮箱传感器所采 集的振动信号进行预处理;风电机组行星齿轮箱处于变转速、变工况的工作环境下，其采集 的振动信号为非平稳信号，如直接进行频谱分析，很难得到清晰的频谱图，这对齿轮箱的故 障诊断产生很大的困难，为了得到清晰正确的频谱图，采用阶比重采样技术对振动信号进 行角域重采样，得到的频谱图中的阶比固定不变，便于对振动信号的分析；
[0013]阶比重采样技术的核心在于获得相对参考轴的恒定角增量采样数据，因此需要能 准确获得阶次采样的时刻及相应的基准转速，即实现阶次跟踪;常见的阶次跟踪方法有硬 件阶次跟踪法、计算阶次跟踪法和基于瞬时频率估计的阶次跟踪法;本发明采用计算阶次 跟踪法，实现振动信号的重采样计算；
[0014] 实际的齿轮箱振动信号一般情况下都含有多种干扰成分，这就使得其故障特征的 提取变得比较困难;经验模态分解(EmpiricalMode Decomposition，EMD)可以根据信号的 局部时变特性，自适应的将任意一个复杂信号分解为一系列分量，通过相关系数法则对信 号进行重构，剔除原始信号中的干扰成分；
[0015] 当齿轮发生故障时，其振动信号都具有调制特征，从信号中提取调制信息，并分析 其强度和频次就可以判断故障的部位和损伤程度;信号包络谱，可反映周期性的冲击及其 剧烈程度。
[0016] 根据步骤(2)所述，行星齿轮箱不同于传统定轴齿轮箱，针对其结构的特点及诊断 的难度，将行星齿轮箱的故障分级进行诊断;实现行星轮故障特征频率计算;风电机组齿轮 增速箱结构多样，传动比大，为减小齿轮箱的尺寸，一般为行星齿轮结构，本发明对某一风 电机组行星齿轮箱进行分析，其风电行星齿轮箱由两级行星轮、一级平行齿轮构成；
[0017] 风电机组行星齿轮箱的两级行星轮系和平行级齿轮结构；
[0018] 对于行星轮系和平行级齿轮，其故障可分为局部故障和分布式故障；在单级行星 齿轮箱中，太阳轮-行星轮和行星轮-齿圈两种啮合副的啮合频率相同；通常齿圈固定不动， 太阳轮、行星轮和行星架旋转，在这种情况下，啮合频率：
[0019] fm=fcZr= (fs(r)-fc)Zs (1);
[0020] 式中：ZjPZs分别为齿圈和太阳轮的齿数;fm为啮合频率;f。为行星架的旋转频率； fsW为太阳轮的绝对旋转频率；
[00211太星轮局部故障特征频率为：
[0022]
(2);
[0023] 式中：fm为啮合频率;Zs为太阳轮齿数;N为行星轮数量，fs为太阳轮局部故障特征 频率;行星轮局部故障特征频率为：
[0024]
(3)；
[0025] 式中：fm为啮合频率;ZPS行星轮齿数;fP为行星轮局部故障特征频率;齿圈局部故 障特征频率为：
[0026]
(4)；
[0027]式中：fm为啮合频率;fr为齿圈局部故障特征频率;N为行星轮数量，Zr为齿圈齿数。
[0028] 行星齿轮箱中各种齿轮的分布式故障特征频率等于齿轮相对行星架(太阳轮和齿 圈故障）或齿圈（行星轮故障）的旋转频率。已知行星齿轮箱的啮合频率fdP某个齿轮的齿 数Z g，则该齿轮相对行星架(太阳轮和齿圈故障)或齿圈(行星轮故障）的旋转频率：
[0029] fg = fm/Zg (5)；
[0030] fg该齿轮相对行星架(太阳轮和齿圈故障）或齿圈（行星轮故障）的旋转频率，zgs 某个齿轮的齿数;则太阳轮、行星轮和齿圈分布式故障的特征频率分别为：
[0031] fs-=fm/Zs (6)；
[0032] fp-=fm/ZP (7)；
[0033] fr-=fm/Zr (8)；
[0034] 式中：fm为啮合频率;f s，、f P，、f r，太阳轮、行星轮和齿圈分布式故障的特征频率;Zs 为太阳轮齿数;ZP为行星轮的齿数;Zr为齿圈齿数；
[0035] 以与主轴相连接的一级行星轮系的行星架为参考转速，对行星齿轮箱中各级的各 个齿轮的局部故障和分布故障的特征阶比进行计算。
[0036]根据步骤(3)所述的行星齿轮箱故障特征量的提取;行星轮系局部故障，可分为太 阳轮局部故障、行星轮局部故障和内齿圈局部故障；
[0037]对于太阳轮局部故障振动信号，在包络谱中，峰值出现在太阳轮的局部故障特征 频率fs、太阳轮的绝对旋转频率f户\以及它们的组合fs±f户> 等位置处;若考虑太阳轮局 部故障特征频率的倍频和太阳轮绝对旋转频率的倍频作为调制频率的情形，则在包络谱 中，峰值将出现在太阳轮局部故障特征频率及其倍频nfs、太阳轮的绝对旋转频率及其倍频 mfs(lr)、及其组合nfs±mfs (lr)等位置处；
[0038]对于行星轮局部故障，在包络谱中，峰值出现在行星轮局部故障特征频率fP、行星 架的旋转频率f。、以及它们的fp±f。组合等位置处，若考虑行星轮局部故障特征频率的倍频 和行星架旋转频率的倍频作为调制频率的情形，则在包络谱中，峰值将出现在行星轮局部 故障特征频率及其倍频nfp、行星架的旋转频率及其倍频mf c、以及它们的组合nf p ±mf c等位 置处；
[0039] 对于齿圈局部故障，在包络谱中，峰值出现在齿圈局部故障特征频率fr位置处，若 考虑齿圈局部故障特征频率的倍频作为调制频率的情形，则在包络谱中，峰值将出现在齿 圈局部故障特征频率及其倍频nf r位置处；
[0040] 行星轮系发生分布故障，在包络谱中，峰值出现在齿轮分布式故障特征频率fg、行 星轮通过频率Nfc、及其组合f g±Nfc位置处;若考虑齿轮分布式故障特征频率的倍频和行星 轮通过频率的倍频作为调制频率的情形，则在包络谱中，峰值将出现在齿轮分布式故障特 征频率及其倍频nf g(n为正整数）、行星轮通过频率及其倍频mNfc(m为正整数）、以及它们的 组合nfg±mNf c位置处；
[0041 ]定轴齿轮发生包括齿根部有较大裂纹、局部齿面磨损、轮齿折断、局部齿形误差局 部故障时，其振动信号波形是以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲，在频率域表现为包含旋 转频率的各次谐波mfr(m=l，2, · · ·）、各阶啮合频率nfm(n=l，2, · · ·）以及以故障齿 轮的旋转频率为间隔的边频nfm土mfr(n，m=l，2· · ·);
[0042] 定轴齿轮发生分布故障时，其频域特征表现为啮合频率及其谐波分量nfm(n= 1， 2，· ··）在频谱图上的位置保持不变，但其幅值