風(fēng)電這一新能源有相對成熟的技術(shù)，成本低廉。近年來，累計(jì)裝機(jī)容量以指數(shù)方式不斷增長，卻沒有提升風(fēng)機(jī)單機(jī)的性能。齒輪箱在整機(jī)停機(jī)過程發(fā)揮了重要的作用，其維修成本高昂，故研究齒輪箱在線監(jiān)測技術(shù)非常關(guān)鍵。當(dāng)前，風(fēng)機(jī)齒輪箱油液狀態(tài)監(jiān)測可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪箱的磨損狀況，本文簡單分析了該技術(shù)的應(yīng)用情況。

　　一、風(fēng)機(jī)齒輪故障類型及原因

　　齒輪箱制造不具備穩(wěn)定的工藝技術(shù)，易造成齒輪箱工況無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，直接影響其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，輪齒難以受力均勻，甚至發(fā)生斷齒問題;即便正確安裝，齒輪箱也無法徹底解決磨損問題。風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的故障涉及齒輪故障、軸承故障、箱體及緊固件故障，軸故障、油系統(tǒng)故障，其中失效比例最大的是齒輪故障。

表 1 齒輪故障及故障機(jī)理

　　二、風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測手段

　　振動狀態(tài)監(jiān)測： 振動狀態(tài)監(jiān)測是借采集數(shù)據(jù)或監(jiān)控系統(tǒng)，或利用傳感器不間斷獲取風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的振動數(shù)據(jù)，以時(shí)域與頻域系統(tǒng)了解振動加速信號，從而找出發(fā)生故障的零部件位置，以判斷故障類型。當(dāng)前，很多方法都可以分析振動數(shù)據(jù)，初步產(chǎn)生過 了成熟的診斷故障技術(shù)。

　　油液在線監(jiān)測： 在線油液監(jiān)測是指系統(tǒng)或設(shè)備運(yùn)行中，在線傳感器與性能指標(biāo)科學(xué)整合，順利實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測。根據(jù)潤滑油改變參數(shù)的原則，客觀評估系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)格診斷系統(tǒng)或設(shè)備的故障部件，更好實(shí)行維護(hù)與修理，降低事故發(fā)生概率。

　　風(fēng)機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)對比： 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在運(yùn)行中出現(xiàn)了齒面斷裂、齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕等故障。齒輪箱常見的故障類型比例見表 2 所示。

表 2 齒輪箱常見故障類型比例

　　三、油液監(jiān)測技術(shù)內(nèi)容

　　油液監(jiān)測技術(shù)包括潤滑油的理化性能與磨損顆粒分析。

　　油液的理化性能分析： 油液品質(zhì)通過粘度實(shí)現(xiàn)衡量，潤滑油膜在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中發(fā)揮了抗磨與減磨的作用，油液粘度過大或過小都難以正常發(fā)揮作用。因此，油品粘度代表了油品劣化的程度。油品發(fā)生嚴(yán)重氧化，相應(yīng)提高了粘度。油品因氧化形成的酸性物質(zhì)，需通過酸值評價(jià)氧化油品變質(zhì)的劣化情況。若齒輪箱油液總酸值增高，則會對油品的潤滑度造成影響，加重齒輪箱的磨損。

　　磨損顆粒分析： 機(jī)械設(shè)備應(yīng)用化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)異常情況，評估磨損類型;濃度含量分析可直接判斷機(jī)械設(shè)備磨損情況;尺寸大小對機(jī)械設(shè)備的磨損和類型發(fā)揮了決定性作用;設(shè)備的磨損機(jī)理容易被幾何形貌影響。

　　風(fēng)電機(jī)組齒輪箱磨損引發(fā)齒面裂紋，從而折斷輪齒，而在線動態(tài)監(jiān)測齒輪箱振動，對這種長期發(fā)揮作用，且不改變故障信號的磨損失效模式科學(xué)區(qū)別。對磨損帶來的固體顆粒物分析，特別是金屬顆粒有利于及時(shí)預(yù)警動力機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。磨損帶來的金屬顆粒有不同的直徑和種類，可以得到動力機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的豐富信息，通常這部分設(shè)備有復(fù)雜的構(gòu)造，運(yùn)行時(shí)可利用金屬顆粒判斷初期故障。

　　四、油液在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用─以磨粒監(jiān)測為例

　　技術(shù)概述： 風(fēng)電齒輪箱磨損顆粒在線監(jiān)測是將傳感器置于齒輪箱潤滑油回油管路上，有利于在線掌握零部件磨損顆粒的大小和數(shù)量，系統(tǒng)了解受損狀況。傳感器作為通流設(shè)備之一，安裝位置選在潤滑油回油管路和油濾之間，保證潤滑油順利通過。

圖 1 風(fēng)電齒輪箱磨損顆粒在線檢測

　　磁場線圈利用激勵產(chǎn)生交變磁場，金屬磨損顆粒作用于磁場區(qū)域，這也是發(fā)生微弱擾動的原因，傳感器線圈對外輸出能感應(yīng)磁場擾動的信號。顆粒的尺寸與性質(zhì)主要借輸出信號的幅度與相位合理區(qū)別。聯(lián)基本理論知識，信號的幅度與鐵磁性金屬顆粒的直徑保持正比關(guān)系，其與非鐵磁性金屬顆粒的表面積保持正比關(guān)系。而非鐵磁性金屬顆粒的信號與鐵磁性形成反比關(guān)系，利用其對磨粒有效鑒別。金屬顆粒通過傳感器結(jié)合磁電原理完成檢測，且在風(fēng)機(jī)內(nèi)部科學(xué)解決若干問題 ：

　　(1)風(fēng)電機(jī)組一般利用孔徑偏大的油管，設(shè)計(jì)通孔直徑分別是 40mm、27mm，響應(yīng)超過了被檢測顆粒的尺寸。因此，有必要放大傳感器微弱信號的高增益，且對噪聲有效抑制。經(jīng)測算，增益倍數(shù)應(yīng)保持 90dB，以便約束現(xiàn)場環(huán)境形成的噪聲。而環(huán)境噪聲包括 ：最大振動 15g、最大油壓 4MPa 及風(fēng)機(jī)內(nèi)復(fù)雜的電磁干擾。上述環(huán)境條件可通過電路特殊處理，進(jìn)而對機(jī)械結(jié)構(gòu)科學(xué)設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)不只影響了產(chǎn)品的機(jī)械功能，還整合了傳感器信號和噪聲抑制信號。

圖 2 傳感器工作原理

　　(2)鐵磁與非鐵磁磨粒的獨(dú)立優(yōu)化檢測技術(shù)。鐵磁性金屬顆粒與非鐵磁金屬顆粒是基于交變磁場產(chǎn)生不一樣的干擾制度，二者互相約束，提高了鐵磁性顆粒的靈敏性，降低了非鐵磁性顆粒的靈敏性。故而，圍繞鐵磁與非鐵磁磨粒獨(dú)立優(yōu)化監(jiān)測方法十分關(guān)鍵，特別是其在風(fēng)機(jī)大管徑油路中應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測操作。本文采取對頻監(jiān)測解調(diào)技術(shù)，合理確定載波頻率，不只對鐵磁性金屬顆粒、非鐵磁性金屬顆粒進(jìn)行監(jiān)測，還提高了靈敏性。

　　(3)基于環(huán)境的干擾，對真假顆粒信號的算法合理區(qū)別。對噪聲抑制技術(shù)科學(xué)應(yīng)用，環(huán)境干擾容易輸出假顆粒信號，只有合理設(shè)計(jì)對真假顆粒信號有效甄別的方式，才可以提高檢測水平。

圖 3 傳感器信號處理流程

圖 4 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱磨損狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

　　風(fēng)電機(jī)組齒輪箱磨損狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)： 一般風(fēng)電場所在地區(qū)較偏遠(yuǎn)，容易被地理因素、風(fēng)機(jī)數(shù)量、風(fēng)機(jī)間距等限制，故有必要結(jié)合風(fēng)電齒輪箱磨損狀況，設(shè)計(jì)分布式測量的智能監(jiān)控系統(tǒng)。單一或幾臺風(fēng)機(jī)可采取低成本方式，把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞至中央控制室。若上百臺風(fēng)機(jī)同時(shí)監(jiān)測，則設(shè)計(jì)更合理的方式。本文采取傳感器無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱磨損狀態(tài)建立智能監(jiān)控系統(tǒng)，最大程度發(fā)揮單機(jī)的通信傳輸性能。風(fēng)電齒輪箱潤滑油金屬在線監(jiān)測傳感器是 1 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)組成無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，向中央控制室科學(xué)傳輸數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)場有效整合有線、無線或基站。

　　五、結(jié)束語

　　傳感器開發(fā)與集成油液監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依然重要。當(dāng)前，國內(nèi)傳感器基本由實(shí)驗(yàn)室組織開發(fā)，很少實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，也無法結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對機(jī)械設(shè)備狀態(tài)合理分析。而風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油液在線監(jiān)測可對狀態(tài)監(jiān)測有效輔助，故要對齒輪箱磨損與齒輪箱失效關(guān)系科學(xué)研究。