一种齿轮箱状态监测与故障分析方法及装置 技术领域 本发明涉及机械设备故障诊断领域， 特别涉及一种齿轮箱状态监测与故障分析方 法及装置。
背景技术 依据世界风能协会 (WWEA) 的统计数据显示， 2001 年至 2010 年期间， 全球风能装机 容量保持每三年翻番的速度。截止到 2010 年底， 全球有 83 国家已经开发风能， 全球风力发 电量达到 430 太瓦时， 占全球电力供应总量的 2.5％， 总量超过世界第六大经济体——英国 全年的用电需求。
风能在我国的发展更是令世人瞩目。据统计， 2010 年我国 ( 不包括台湾地区 ) 风 电装机容量 18,927.99MW， 连续第二年增量居世界首位， 截止 2010 年底， 我国风电装机总量 为 44,733.29MW， 位居世界第一。本世纪初， 我国风电产业只有几个示范项目， 自 2006 年开 始， 我国风电行业进行跨越式发展， 到 2009 年， 我国风电装机容量连续 4 年增速超过 100％。 我国的风力发电机组最初完全依靠进口， 国内风电制造企业经过迅猛发展， 到 2010 年， 已 有四家国内整机制造企业进入世界前十强， 国产风机产量占世界总量 2/5 强， 国内市场占 有 85％的份额， 三家国内风力发电运营商位列全球前十。
风力发电行业的快速增长导致了风力发电机组运行维护费用同时持续增长， 对于 陆上型风力发电机组， 运行维护成本占每度电价格的 10-15％， 对于海上风力发电机组， 其 比例接近 25-30％。目前全世界商业运行的海上风电机组均为双馈型风力发电机组， 根据 国内外不同研究机构统计数据， 双馈机组故障主要集中在齿轮箱、 叶片、 发电机、 电气系统、 偏航系统、 传动链、 控制系统等关键部件。双馈机组中的齿轮箱通过旋转运动， 把风轮吸收 的风能进行传递， 由于风速的不断变化， 齿轮箱不断受到变化的冲击载荷作用， 容易出现故 障， 导致机组的停机， 产生高额的维修费用， 造成巨大的经济损失。
针对现有技术中的不足， 设计一种在不破坏齿轮箱的条件下真实的产生若干种齿 轮箱的常见故障， 快速实现不同故障情况间的切换和故障情况与正常情况的切换， 从而实 现对齿轮箱的状态监测和故障分析的一种齿轮箱状态监测与故障分析方法及装置十分必 要， 是机械设备故障诊断领域目前急待解决的问题之一。
发明内容
有鉴于此， 本发明实施例提出了一种齿轮箱状态监测与故障分析方法及装置， 通 过监测模块监测齿轮箱状态并获取振动信号和油质信息， 并采集齿轮箱的振动信号和油质 信息进行分析处理， 进而将处理后的信息进行分类整理作为故障诊断依据， 本方案能够在 不破坏齿轮箱的前提下， 快速实现不同故障情况间的切换和故障情况与正常情况的切换， 从而实现对齿轮箱的状态监测和故障分析。
为解决上述技术问题， 本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的 ：
一种齿轮箱状态监测与故障分析方法， 包括 ：步骤一、 通过监测模块监测齿轮箱状态并获取振动信号和油质信息 ；
步骤二、 通过采集器采集齿轮箱的振动信号和油质信息 ；
步骤三、 将齿轮箱的振动信号和油质信息进行分析处理 ；
步骤四、 将处理后的信息进行分类整理作为故障诊断依据。
优选的， 上述步骤一中， 所述齿轮箱状态包括正常运行状态以及故障状态。
优选的， 上述故障状态包括但不限于齿轮啮合故障、 轴不对中故障、 轴向窜动故 障、 润滑油污染故障、 地脚螺栓松动故障。
优选的， 上述步骤二中， 采集器通过采集齿轮箱在不同故障状态下的振动信号。
优选的， 上述步骤二中， 是通过油质分析仪获取齿轮箱润滑油污染程度与污染物 之间的特征信息， 以获取油质信息。
优选的， 上述步骤四中， 是通过齿轮箱故障状态下运行的信息进行分类整理作为 故障诊断依据。
一种齿轮箱状态监测与故障分析装置， 包括监测模块、 采集模块、 分析模块以及分 类模块， 通过监测模块监测齿轮箱状态并获取振动信号和油质信息， 并采集齿轮箱的振动 信号和油质信息进行分析处理， 进而将处理后的信息进行分类整理作为故障诊断依据。 优选的， 上述监测模块用于监测齿轮箱状态并获取振动信号和油质信息。
优选的， 上述采集模块用于采集齿轮箱的振动信号和油质信息。
优选的， 上述分类模块用于将处理后的信息进行分类整理作为故障诊断依据。
优选的， 进一步包括齿轮箱， 齿轮箱采用行星轮加两级平行轴结构， 箱体采用上下 分离设计结构， 上下箱体用螺栓紧固。
优选的， 进一步包括电动机和联轴器， 所述电机的输出轴和齿轮箱的输入轴连接 处采用刚性联轴器。
优选的， 齿轮箱的轴承端盖采用两种尺寸， 按照常规轴向间隙加工， 用于正常工 作； 加大轴向间隙， 以促使其在运转中发生轴向窜动。
优选的， 通过更换齿轮箱轴承端盖， 实现轴向窜动和正常运行模式间的切换。
优选的， 上述齿轮箱与基础采用地脚螺栓固定， 当松动地脚螺栓， 可以产生地脚螺 栓松动故障。
综上所述， 本发明提供了一种齿轮箱状态监测与故障分析方法及装置， 通过监测 模块监测齿轮箱状态并获取振动信号和油质信息， 并采集齿轮箱的振动信号和油质信息进 行分析处理， 进而将处理后的信息进行分类整理作为故障诊断依据， 本方案能够在不破坏 齿轮箱的前提下， 快速实现不同故障情况间的切换和故障情况与正常情况的切换， 从而实 现对齿轮箱的状态监测和故障分析。
附图说明
图 1 为本发明实施例的方法流程图 ；
图 2 为本发明实施例的装置结构示意图 ；
图 3 为本发明实施例的一具体实施例示意图。 具体实施方式本发明实施例提供的一种齿轮箱状态监测与故障分析方法及装置， 通过监测模块 监测齿轮箱状态并获取振动信号和油质信息， 并采集齿轮箱的振动信号和油质信息进行分 析处理， 进而将处理后的信息进行分类整理作为故障诊断依据， 本方案能够在不破坏齿轮 箱的前提下， 快速实现不同故障情况间的切换和故障情况与正常情况的切换， 从而实现对 齿轮箱的状态监测和故障分析。 为使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 下面参 照附图并举实施例， 对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供一种齿轮箱状态监测与故障分析方法， 如图 1 所示， 具体步骤 包括 ：
步骤一、 通过监测模块监测齿轮箱状态并获取振动信号和油质信息 ；
具体而言， 在本发明实施例中， 通过监测模块监测风力发电齿轮箱系统在正常运 行状态以及五种故障状态下运行时的状态， 即实时采集齿轮箱不同运行条件下的信号， 通 过对获取信息的分析， 得到齿轮箱正常运行条件和故障运行条件下的特征， 将这些特征作 为实际商业运行的风力发电机组齿轮箱故障诊断和分析的依据。
具体而言， 在本发明实施例中， 风力发电齿轮箱系统产生的五种常见的齿轮箱故 障包括但不限于 ： 齿轮啮合故障、 轴不对中故障、 轴向窜动故障、 润滑油污染故障、 地脚螺栓 松动故障。 为了能够提取这五种常见故障的特征信息， 在本发明实施例中， 通过采用振动采 集模块和油质分析仪获取齿轮箱的振动信号和油质信息， 进而获取常见故障的特征信息。
其中， 油质分析仪能够及时分析齿轮箱内润滑油的质量， 通过参杂不同的杂质， 产 生常见的润滑油污染故障。通过投入润滑油中一定量的直径不同的金属颗粒， 模拟润滑油 污染的不同阶段， 利用油质分析仪获取润滑油污染程度与污染物之间的特征信息。
其中， 齿轮啮合故障、 轴不对中故障、 轴向窜动故障、 地脚螺栓松动故障这四种故 障是通过振动采集模块监测振动信号， 并获得振动信号反映上述四种故障的特征信号， 以 作为判断同类齿轮箱出现上述 4 种故障的依据。
具体而言， 在本发明实施例中， 在齿轮箱的齿轮根部和顶部钻螺纹孔， 正常状况 下， 对齿轮运转不产生任何影响。当在螺纹孔内安装螺钉， 制造齿轮啮合故障， 通过在螺纹 孔内拆装螺钉可以在正常与齿轮啮合故障状态之间快捷灵活切换。
具体而言， 在本发明实施例中， 在电机输出轴和齿轮箱输入轴连接处采用刚性联 轴器， 电机底座采用不同厚度的调整垫片， 通过更换调整垫片的厚度来制造轴不对中故障， 或者采用正确厚度的调整垫片， 恢复正常运行模式。
具体而言， 在本发明实施例中， 齿轮箱轴承端盖采用两种尺寸， 一套按照常规轴向 间隙加工， 用于正常工作 ； 另一套加大轴向间隙， 以促使其在运转中发生轴向窜动。通过更 换齿轮箱轴承端盖， 实现轴向窜动和正常运行模式之间的切换。
具体而言， 在本发明实施例中， 齿轮箱与基础采用地脚螺栓固定， 当松动地脚螺 栓， 可以产生地脚螺栓松动故障。
此外， 在本发明实施例中， 齿轮箱箱体采用上下结合的结构， 箱体上下两部分采用 螺栓紧固， 保证了齿轮箱可方便打开， 内部零件更换方便， 还可以随意更换齿轮箱润滑油， 产生润滑油污染故障。
并且， 在齿轮箱上箱体顶部设计了观察窗口， 观察窗口用透明材质盖板覆盖， 便于 观察齿轮箱内部结构和运行条件下的内部零部件工作情况。因此， 在本发明实施例中， 通过采用振动采集模块和油质分析仪获取齿轮箱的振 动信号和油质信息， 进而获取常见故障的特征信息。风力发电齿轮箱系统产生的五种常见 的齿轮箱故障包括但不限于 ： 齿轮啮合故障、 轴不对中故障、 轴向窜动故障、 润滑油污染故 障、 地脚螺栓松动故障。
本技术方案可保证齿轮箱能够在正常运行条件和五种故障运行条件共六种不同 的运行条件下随意切换， 并且提供了齿轮箱运行情况下观察其内部结构运行机制的功能。
步骤二、 通过采集器采集齿轮箱的振动信号和油质信息 ；
具体而言， 在本发明实施例中， 设有一采集器， 采集器用于采集齿轮箱的振动信号 和油质信息。
其中， 风力发电齿轮箱系统产生的五种常见的齿轮箱故障包括但不限于 ： 齿轮啮 合故障、 轴不对中故障、 轴向窜动故障、 润滑油污染故障、 地脚螺栓松动故障。 采集器通过采 集齿轮箱在上述不同故障状态下的振动信号和油质信号， 以便获取齿轮箱不同运行条件下 的信号， 通过对信号的分析， 得到齿轮箱正常运行条件和故障运行条件下的特征， 这些特征 可以作为实际商业运行的发电机组齿轮箱故障诊断和分析的依据。
其中， 油质信息是通过油质分析仪及时分析齿轮箱内润滑油的质量， 通过参杂不 同的杂质， 产生常见的润滑油污染故障。 通过投入润滑油中一定量的直径不同的金属颗粒， 模拟润滑油污染的不同阶段， 利用油质分析仪获取润滑油污染程度与污染物之间的特征信 息。通过采集油质信息， 以便对获取齿轮箱不同运行条件下的信号， 通过对信号的分析， 得 到齿轮箱正常运行条件和故障运行条件下 ( 润滑油污染故障 ) 的特征， 这些特征可以作为 实际商业运行的风力发电机组齿轮箱故障诊断和分析的依据。 步骤三、 将齿轮箱的振动信号和油质信息进行分析处理 ；
具体而言， 在本发明实施例中， 设有一分析模块， 分析模块用于对采集到的齿轮箱 的振动信号和油质信息进行分析处理。
在本发明实施例中， 通过对齿轮箱的振动信号和油质信息进行分析处理， 可得到 齿轮箱正常运行条件和故障运行条件下的特征， 这些特征可以作为实际商业运行的风力发 电机组齿轮箱故障诊断和分析的依据。
步骤四、 将处理后的信息进行分类整理作为故障诊断依据。
具体而言， 在本发明实施例中， 是通过将处理后的信息进行分类整理作为故障诊 断依据。
风力发电齿轮箱系统产生的五种常见的齿轮箱故障包括但不限于 ： 齿轮啮合故 障、 轴不对中故障、 轴向窜动故障、 润滑油污染故障、 地脚螺栓松动故障。 通过对齿轮箱的振 动信号和油质信息的采集和分析， 以获得齿轮箱在正常运行条件和故障运行条件下的特征 信息， 这些特征可作为实际商业运行的风力发电机组齿轮箱故障诊断和分析的依据， 进而 实现对齿轮箱的状态监测和故障分析。
另外， 本发明实施例还提供一种齿轮箱状态监测与故障分析装置。如图 2 所示， 为 本发明实施例提供的一种齿轮箱状态监测与故障分析装置示意图。
一种齿轮箱状态监测与故障分析装置， 包括监测模块 11、 采集模块 22、 分析模块 33 以及分类模块 44。
监测模块 11， 用于监测齿轮箱状态并获取振动信号和油质信息。
具体而言， 在本发明实施例中， 通过监测模块监测风力发电齿轮箱系统在正常运 行状态以及五种故障状态下运行时， 实时采集齿轮箱不同运行条件下的信号， 通过对获取 信息的分析， 得到齿轮箱正常运行条件和故障运行条件下的特征， 将这些特征作为实际商 业运行的风力发电机组齿轮箱故障诊断和分析的依据。
具体而言， 在本发明实施例中， 风力发电齿轮箱系统产生的五种常见的齿轮箱故 障包括但不限于 ： 齿轮啮合故障、 轴不对中故障、 轴向窜动故障、 润滑油污染故障、 地脚螺栓 松动故障。 为了能够提取这五种常见故障的特征信息， 在本发明实施例中， 通过采用振动采 集模块和油质分析仪获取齿轮箱的振动信号和油质信息， 进而获取常见故障的特征信息。
其中， 油质分析仪能够及时分析齿轮箱内润滑油的质量， 通过参杂不同的杂质， 产 生常见的润滑油污染故障。通过投入润滑油中一定量的直径不同的金属颗粒， 模拟润滑油 污染的不同阶段， 利用油质分析仪获取润滑油污染程度与污染物之间的特征信息。
其中， 齿轮啮合故障、 轴不对中故障、 轴向窜动故障、 地脚螺栓松动故障这四种故 障是通过振动采集模块监测振动信号， 并获得振动信号反映上述四种故障的特征信号， 以 作为判断同类齿轮箱出现上述 4 种故障的依据。
具体而言， 在本发明实施例中， 在齿轮箱的齿轮根部和顶部钻螺纹孔， 正常状况 下， 对齿轮运转不产生任何影响。当在螺纹孔内安装螺钉， 制造齿轮啮合故障， 通过在螺纹 孔内拆装螺钉可以在正常与齿轮啮合故障状态之间快捷灵活切换。 具体而言， 在本发明实施例中， 在电机输出轴和齿轮箱输入轴连接处采用刚性联 轴器， 电机底座采用不同厚度的调整垫片， 通过更换调整垫片的厚度来制造轴不对中故障， 或者采用正确厚度的调整垫片， 恢复正常运行模式。
具体而言， 在本发明实施例中， 齿轮箱轴承端盖采用两种尺寸， 一套按照常规轴向 间隙加工， 用于正常工作 ； 另一套加大轴向间隙， 以促使其在运转中发生轴向窜动。通过更 换齿轮箱轴承端盖， 实现轴向窜动和正常运行模式之间的切换。
具体而言， 在本发明实施例中， 齿轮箱与基础采用地脚螺栓固定， 当松动地脚螺 栓， 可以产生地脚螺栓松动故障。
此外， 在本发明实施例中， 齿轮箱箱体采用上下结合的结构， 箱体上下两部分采用 螺栓紧固， 保证了齿轮箱可方便打开， 内部零件更换方便， 还可以随意更换齿轮箱润滑油， 产生润滑油污染故障。
并且， 在齿轮箱上箱体顶部设计了观察窗口， 观察窗口用透明材质盖板覆盖， 便于 观察齿轮箱内部结构和运行条件下的内部零部件工作情况。
因此， 在本发明实施例中， 通过采用振动采集模块和油质分析仪获取齿轮箱的振 动信号和油质信息， 进而获取常见故障的特征信息。风力发电齿轮箱系统产生的五种常见 的齿轮箱故障包括但不限于 ： 齿轮啮合故障、 轴不对中故障、 轴向窜动故障、 润滑油污染故 障、 地脚螺栓松动故障。
本技术方案可保证齿轮箱能够在正常运行条件和五种故障运行条件共六种不同 的运行条件下随意切换， 并且提供了齿轮箱运行情况下观察其内部结构运行机制的功能。
采集模块 22， 用于采集齿轮箱的振动信号和油质信息。
具体而言， 在本发明实施例中， 设有一采集器， 采集器用于采集齿轮箱的振动信号 和油质信息。
其中， 风力发电齿轮箱系统产生的五种常见的齿轮箱故障包括但不限于 ： 齿轮啮 合故障、 轴不对中故障、 轴向窜动故障、 润滑油污染故障、 地脚螺栓松动故障。 采集器通过采 集齿轮箱在上述不同故障状态下的振动信号， 以便获取齿轮箱不同运行条件下的信号， 通 过对信号的分析， 得到齿轮箱正常运行条件和故障运行条件下的特征， 这些特征可以作为 实际商业运行的发电机组齿轮箱故障诊断和分析的依据。
其中， 油质信息是通过油质分析仪及时分析齿轮箱内润滑油的质量， 通过参杂不 同的杂质， 产生常见的润滑油污染故障。 通过投入润滑油中一定量的直径不同的金属颗粒， 模拟润滑油污染的不同阶段， 利用油质分析仪获取润滑油污染程度与污染物之间的特征信 息。通过采集油质信息， 以便获取齿轮箱不同运行条件下的信号， 通过对信号的分析， 得到 齿轮箱正常运行条件和故障运行条件下 ( 润滑油污染故障 ) 的特征， 这些特征可以作为实 际商业运行的发电机组齿轮箱故障诊断和分析的依据。
分析模块 33， 用于将齿轮箱的振动信号和油质信息进行分析处理。
具体而言， 在本发明实施例中， 设有一分析模块， 分析模块用于对采集到的齿轮箱 的振动信号和油质信息进行分析处理。
在本发明实施例中， 通过对齿轮箱的振动信号和油质信息进行分析处理， 可得到 齿轮箱正常运行条件和故障运行条件下的特征， 这些特征可以作为实际商业运行的发电机 组齿轮箱故障诊断和分析的依据。
分类模块 44， 用于将处理后的信息进行分类整理作为故障诊断依据。 具体而言， 在本发明实施例中， 是通过将处理后的信息进行分类整理作为故障诊断依据。 风力发电齿轮箱系统产生的五种常见的齿轮箱故障包括但不限于 ： 齿轮啮合故 障、 轴不对中故障、 轴向窜动故障、 润滑油污染故障、 地脚螺栓松动故障。通过对齿轮箱的 振动信号和油质信息的采集和分析， 以获得齿轮箱在正常运行条件和故障运行条件下的特 征， 这些特征可作为实际商业运行的发电机组齿轮箱故障诊断和分析的依据， 进而实现对 齿轮箱的状态监测和故障分析。
进一步的， 举一具体实施例进行说明， 主要包括 ： 电动机、 联轴器、 风力发电齿轮 箱、 传感器、 采集器、 分析软件 ( 如图 3 所示 )， 具体而言， 在本发明实施例中， 在电机输出轴 和齿轮箱输入轴连接处采用刚性联轴器。 本发明专利提供了一种针对风力发电机组的齿轮 箱故障进行分析和诊断的试验系统， 该系统能够在不破坏齿轮箱的条件下真实的产生若干 种齿轮箱的常见故障， 齿轮箱可以在这几种故障情况与正常情况随意切换。当齿轮箱在故 障情况下运行， 采用状态监测系统采集故障的特征信息。本风力发电齿轮箱故障模拟与监 测系统可以让齿轮箱工作在正常情况、 齿轮啮合故障情况、 轴不对中故障情况、 轴向窜动故 障情况、 润滑油污染故障情况、 地脚螺栓松动故障情况。 齿轮箱采用行星轮加两级平行轴结 构， 箱体采用上下分离设计结构， 上下箱体用螺栓紧固， 可以方便的打开上箱体， 通过调整 齿轮箱内部结构， 快速实现不同故障情况间的切换和故障情况与正常情况的切换。系统对 齿轮箱进行状态监测， 通过传感器采集齿轮箱的振动信号和润滑油纯度信号， 通过采集器 把传感器的信号传输给分析软件， 实现齿轮箱的状态监测。
具体而言， 在本发明实施例中， 在齿轮箱的齿轮根部和顶部钻螺纹孔， 正常状况 下， 对齿轮运转不产生任何影响。当在螺纹孔内安装螺钉， 制造齿轮啮合故障， 通过在螺纹
孔内拆装螺钉可以在正常与齿轮啮合故障状态之间快捷灵活切换。
具体而言， 在本发明实施例中， 在电机输出轴和齿轮箱输入轴连接处采用刚性联 轴器， 电机底座采用不同厚度的调整垫片， 通过更换调整垫片的厚度来制造轴不对中故障， 或者采用正确厚度的调整垫片， 恢复正常运行模式。
具体而言， 在本发明实施例中， 齿轮箱轴承端盖采用两种尺寸， 一套按照常规轴向 间隙加工， 用于正常工作 ； 另一套加大轴向间隙， 以促使其在运转中发生轴向窜动。通过更 换齿轮箱轴承端盖， 实现轴向窜动和正常运行模式之间的切换。
具体而言， 在本发明实施例中， 齿轮箱与基础采用地脚螺栓固定， 当松动地脚螺 栓， 可以产生地脚螺栓松动故障。
此外， 在本发明实施例中， 齿轮箱箱体采用上下结合的结构， 箱体上下两部分采用 螺栓紧固， 保证了齿轮箱可方便打开， 内部零件更换方便， 还可以随意更换齿轮箱润滑油， 产生润滑油污染故障。
并且， 在齿轮箱上箱体顶部设计了观察窗口， 观察窗口用透明材质盖板覆盖， 便于 观察齿轮箱内部结构和运行条件下的内部零部件工作情况。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可 以通过程序来指令相关的硬件完成， 所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中， 该程序在执行时， 包括方法实施例的步骤之一或其组合。
另外， 在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中， 也可以 是各个单元单独物理存在， 也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模 块既可以采用硬件的形式实现， 也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如 果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时， 也可以存储在一个计算机 可读取存储介质中。
综上所述， 本文提供了一种齿轮箱状态监测与故障分析方法及装置， 通过监测模 块监测齿轮箱状态并获取振动信号和油质信息， 并采集齿轮箱的振动信号和油质信息进行 分析处理， 进而将处理后的信息进行分类整理作为故障诊断依据， 本方案能够在不破坏齿 轮箱的前提下， 快速实现不同故障情况间的切换和故障情况与正常情况的切换， 从而实现 对齿轮箱的状态监测和故障分析。以上对本发明所提供的一种齿轮箱状态监测与故障分 析方法及装置进行了详细介绍， 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了 阐述， 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案 ； 同时， 对于本领域的一般技术人 员， 依据本发明的思想， 在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处， 综上所述， 本说明 书内容不应理解为对本发明的限制。