风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及风电领域，特别涉及一种风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置。
【背景技术】
[0002]齿轮箱过早失效严重制约着风电产业的健康快速发展。风电是最具发展前景的新能源之一，近十年来全球风电装机量持续以年均20%的速度增长，2014年底装机容量达到370GW ;我国风电装机容量连续翻番增长，成为装机容量最大的国家，占全球风电装机的27%。齿轮箱是双馈风电机组中连接叶轮和发电机的重要部件，为传递能量和承受风载的核心部件。美国和欧洲相关研宄机构统计资料表明:齿轮箱是风电机组故障率最高的部件之一，引起的故障停机时间最长。齿轮箱过早失效使得其无法满足20年使用寿命要求，往往3-5年就需要维修甚至大修，6~8年就要进行更换，相应的维修费用与经济损失高达20~50万欧元(与风机大小和风场位置相关)，约占风电机组总成本的38%。
[0003]尽管我国风电产业近年来发展十分迅速，然而齿轮箱的设计与制造技术尚处于引进消化阶段，在役风电机组大都饱受齿轮箱过早失效困扰，寿命短、故障率高、可靠性差等问题日益突出，尤其是近年来安装的2-3MW风电机组频繁出现齿轮箱批量的现场更换事件，高昂的维护费用和停机损失给风电企业的生存发展带来巨大挑战，也给我国风电产业的健康发展带来强大冲击。因此，通过实验测试获得典型风载/工况下齿轮箱关键部件的真实运行载荷，这将为其设计提供基础数据，有利于揭示齿轮箱过早失效机理。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、能够实时监测齿轮箱关键部件的动力学响应参数的风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置。
[0005]本实用新型解决上述问题的技术方案是:一种风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置，包括信号采集模块、信号调理模块、信号分析处理模块和动态性能评估模块，所述信号采集模块、信号调理模块、信号分析处理模块、动态性能评估模块依次串接，信号采集模块采集轴承座振动信号、轴承温度信号、齿轮箱噪声信号、行星架和太阳轮的位移信号，并将采集到的信号送入信号调理模块，经信号调理模块整形、放大后送入信号分析处理模块，通过信号分析处理模块将采集的信号导入动态性能评估模块。
[0006]上述风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置中，所述动态性能评估模块包括振动特性分析模块、噪声源分析模块和疲劳载荷及寿命预估分析模块。
[0007]上述风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置中，所述信号采集模块包括应变片、位移传感器、声级计、加速度传感器和温度传感器，齿轮箱的太阳轮和二级平行轴系齿轮的齿根以及内齿圈处、行星架和高速轴上均设有应变片，行星架、行星轴和太阳轮上均设有位移传感器，所述声级计悬挂在齿轮箱体内，所述加速度传感器布置在齿轮箱内部各级传动轴的轴承座上，所述温度传感器安装在轴承上。
[0008]上述风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置中，所述位移传感器为非接触式电涡流位移传感器。
[0009]上述风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置中，所述温度传感器为铂电阻。
[0010]上述风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置中，所述加速度传感器为压电式加速度传感器。
[0011]本实用新型的有益效果在于:
[0012]1、本实用新型设有信号采集模块，通过对风电齿轮箱关键部件的动应力、位移、加速度、噪声和温度检测，实现封闭齿轮箱内旋转、润滑状态下部件的实时监测，能较全面地掌握部件的载荷分布情况，将为封闭齿轮箱内旋转、润滑结构件的动态性能测试提供可行的技术方案；
[0013]2、本实用新型的动态性能评估模块包括振动特性分析模块、噪声源分析模块、疲劳载荷及寿命预估分析模块，其中，加速度振动信号的频谱分析反映齿轮箱振动特性，进一步获得关键参数的敏感系数；声级计采集的噪声信号分析辨识噪声源，为降低噪声提供理论依据；关键部件位移、温度和应力数据可用于推导和计算其疲劳载荷谱，结合疲劳寿命模型评估其动态疲劳性能劣化进程。
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型的结构框图。
[0015]图2为风电齿轮箱的结构示意图。
[0016]图3为本实用新型的应变片在齿轮上的布置示意图。
[0017]图4为本实用新型的位移传感器在行星架上的布置示意图。
[0018]图5为本实用新型的铂电阻在滚动轴承外环上的布置示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0020]如图1所示，本实用新型包括信号采集模块1、信号调理模块、信号分析处理模块和动态性能评估模块2，所述信号采集模块1、信号调理模块、信号分析处理模块、动态性能评估模块2依次串接，所述信号采集模块I包括应变片、位移传感器、声级计、加速度传感器和温度传感器。
[0021]齿轮增速箱包括一级行星轮系和二级平行轴轮系，采用太阳轮浮动的均载方式，结构示意见图2，图中:201表示低速级，202表示中速级，203表示高速级，204为行星架，205为内齿圈，206为行星轮，207为太阳轮，208为低速轴，209为中速轴，210为高速轴。由于叶轮承受风载除产生扭矩外，还将产生其余五自由弯矩、推力等非扭矩载荷，这将给齿轮箱内部结构带来附加的位移和应力响应。因此，行星架204、太阳轮207等关键部件的位移检测能够揭示非扭矩载荷对传动系统啮合状态及不对中状态的影响。
[0022]由于20kW齿轮箱增速比为80，齿轮模数较小，故仅在太阳轮207、二级平行轴系齿轮的齿根布置3个应变片101，分别通过滑环将应变片信号导出；内齿圈205均布6个应变片101，应变片101粘贴位置见图3所示；考虑行星架204承受的载荷水平较高，而高速轴210受负载电动机特性影响较大，故分别在行星架204和高速轴210表面粘贴应变片101。
[0023]行星架204、行星轴和太阳轮207上均设有非接触式电涡流位移传感器，非接触式电涡流位移传感器的探头402安装在相应的轴承座或齿轮箱体上，感应金属块401固定在被测件的端面，其安装方案见图4，图中403为传感器支座。
[0024]齿轮箱体绞制螺纹孔，所述声级计悬挂在齿轮箱体内，实现噪声信号检测。
[0025]各级传动系统均布置I个3向加速度传感器，通过粘接或螺纹联接固定在轴承座上，加速度传感器为压电式加速度传感器。
[0026]由于高速轴承转速超过lOOOrpm，极易由于温升过高而破坏轴承，故在轴承外环开槽粘贴温度传感器501，温度传感器501为薄膜铂电阻，其布置见图5。
[0027]应变片和铂电阻传感信号经由信号调理电路传递给信号分析处理模块，位移、加速度和噪声信号经由数据采集模块传递给信号分析处理模块。所述动态性能评估模块2包括振动特性分析模块、噪声源分析模块和疲劳载荷及寿命预估分析模块，其中，加速度振动信号的频谱分析能够反映齿轮箱振动特性，为降低噪声提供理论依据；关键部件位移、温度和应力数据可用于推导和计算其疲劳载荷谱，结合疲劳寿命模型评估其动态疲劳性能劣化进程。
[0028]在动态性能评估模块中，对齿轮箱的各种信号进行分析，得到齿轮箱振动信号的时域特征、频域特征和包络信号的包络谱特征；然后将齿轮箱时域特征、频域特征、运行与监测数据划分为运行监控历史数据子集；对运行监控历史数据子集进行特征提取，生成成齿轮箱各部件的动态性能特征库；根据齿轮箱各部件的动态性能特征库建立动态性能评价模型，通过运行监控历史数据子集对动态性能评价模型进行训练，得到风电机组试验台齿轮箱的动态性能实时评价模型，通过动态性能实时评价模型对实时的齿轮箱运行与监测数据进行评价，得到各部件的振动特性、噪声源分析和疲劳载荷及寿命预估。
【主权项】
1.一种风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置，其特征在于:包括信号采集模块、信号调理模块、信号分析处理模块和动态性能评估模块，所述信号采集模块、信号调理模块、信号分析处理模块、动态性能评估模块依次串接，信号采集模块采集轴承座振动信号、轴承温度信号、齿轮箱噪声信号、行星架和太阳轮的位移信号，并将采集到的信号送入信号调理模块，经信号调理模块整形、放大后送入信号分析处理模块，通过信号分析处理模块将采集的信号导入动态性能评估模块。
2.如权利要求1所述的风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置，其特征在于:所述动态性能评估模块包括振动特性分析模块、噪声源分析模块和疲劳载荷及寿命预估分析模块。
3.如权利要求1所述的风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置，其特征在于:所述信号采集模块包括应变片、位移传感器、声级计、加速度传感器和温度传感器，齿轮箱的太阳轮和二级平行轴系齿轮的齿根以及内齿圈处、行星架和高速轴上均设有应变片，行星架、行星轴和太阳轮上均设有位移传感器，所述声级计悬挂在齿轮箱体内，所述加速度传感器布置在齿轮箱内部各级传动轴的轴承座上，所述温度传感器安装在轴承上。
4.如权利要求3所述的风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置，其特征在于:所述位移传感器为非接触式电涡流位移传感器。
5.如权利要求3所述的风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置，其特征在于:所述温度传感器为钼电阻。
6.如权利要求3所述的风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置，其特征在于:所述加速度传感器为压电式加速度传感器。
【专利摘要】本实用新型公开了一种风电齿轮箱动力学响应多参数检测装置，包括信号采集模块、信号调理模块、信号分析处理模块和动态性能评估模块，所述信号采集模块、信号调理模块、信号分析处理模块、动态性能评估模块依次串接，信号采集模块采集齿轮箱动力学响应参数，经信号调理模块整形、放大后送入信号分析处理模块，通过信号分析处理模块将采集的信号导入动态性能评估模块。本实用新型设有信号采集模块，通过对风电齿轮箱关键部件的动应力、位移、加速度、噪声和温度检测，实现封闭齿轮箱内旋转、润滑状态下部件的实时监测，能较全面地掌握部件的载荷分布情况，将为封闭齿轮箱内旋转、润滑结构件的动态性能测试提供可行的技术方案。
【IPC分类】G01M13-02
【公开号】CN204535990
【申请号】CN201520268741
【发明人】沈意平, 李斌, 蒋玲莉, 李学军, 王广斌, 宾光富, 肖冬明
【申请人】湖南科技大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月29日