基于LabVIEW的风机齿轮箱故障诊断系统的设计

1、发出一套齿轮箱故障诊断系统软件，软件包含的模块有系统初始化设置模块、时域分析模块、频域分析模块及特征频率计算模块。再调用相关齿轮箱故障数据，运用软件进行实例分析，验证了该系统软件的有效性。本软件的研发，可以简单有效的实现风电齿轮箱故障的诊断，具有一定的实际意义。 关键字：风电齿轮箱 LabVIEW 时域分析 频域分析 特征频率计算 The Design of Wind Power Gear Box Fault Diagnosis System Abstract With in recent years, the increasingly serious energy crisis, wind

2、power is renewable and clean make its position more and more important .Use of wind power is the most simple way of using wind energy, wind power and solar power, wind power is not only the cost is low, and zero pollution .Because of wind power is more and more important, therefore, the operation of

3、 the wind turbine is normal will be the most serious problem we face, because the wind turbines is commonly is located in the suburb of town away from the village, it is even more highlighted the seriousness of the problem .Wind turbine fault diagnosis problems, in order to become an important compo

4、nent of the wind power industry .Relevant data show that the part of the wind turbines to produce the highest failure probability is above the gear box .Based on this background, this topic according to the gear box fault vibration signals generated by the, based on the LabVIEW design a gear box fau

5、lt diagnosis system .In this paper, first, through the analysis of the common types of the gearbox fault according to the formula.Then, review of relevant literature, the analysis of gear box fault vibration signal analysis methods ,This article involves the analysis of the methods with time domain

6、analysis, cepstrum analysis and envelope demodulation analysis, etc .Then based on the LabVIEW graphical programming method, using the knowledge about the G language programming knowledge, develop a set of gearbox fault diagnosis system software ,Software contains the modules of system initializatio

7、n module, time-domain analysis module, frequency domain analysis module and characteristic frequency calculation module .Again call related gear box fault data, using the software is analyzed and verified the effectiveness of the system software .Software research and development, can be simple and

8、effective implementation of wind power gear box fault diagnosis, has a certain practical significance . Key words: Wind power gear box ; LabVIEW; The time domain analysis; TFreque 上升到了2014年的155.55万KW，同比上涨了179%。就现在而言，我省计划在内的还有17个正在建的风力发电项目，总的装机量将达到70.5万KW。 看到风力发电迅速崛起的趋势，国家电网的福建省电力加快电网的建设，改善电网运行方式，比较侧

9、重于加大风力发电事业的调度权，提供更多的措施促进风力发电的并网与消纳。国家风力发电技术及检测研究中心在福建省建立分中心，拥有风力发电整套的并网检测能力，还有风力发电、光电的实验平台，风电网的特征检测与协调、控制和保护技术影响区域电网电能质量等方面的基础研究。加强力度提高解决涉及风电并网和消纳的主要技术问题。 2014年在福建风力发电3.835亿KWh，均匀使用风电2530小时，高于国内625小时总容量。2012年至2014年期间，风能发电的均利用小时已经达到2576.4小时福建省，继续第三年获得冠军的头衔。 1.2 课题研究的目的及意义 基于我国风电事业的迅速成长，风能发电机组的装机容量亦在不

10、断的上涨2，其轮毂高度也相应往上升，导致齿轮箱的受力情况变得更复杂。这导致风能发电机组失效的概率大大的增加，失效的原因亦逐渐趋于多样化3。风能发电机绝大多数都建立在远离城镇村庄的郊外等风口处，在自然环境的风吹雨打加上风能的时有时无的效果下，齿轮箱发生故障的概率异常大。风力发电机场一般坐落在离城镇比较远的荒漠、牧场和丘陵地区等地,它的运行维修费用就占了很大一部分。我们都知道海边拥有特别优越的风能资源,所以近年来随着海上风电场在这些地区风能利用的不断发展将是风电发展的主要发展方向,对于这种远离海岸型的风力发电场其运营维修费用有可能达到总成本的25%30%。齿轮箱是风能发电机组的重要机械传动构件，也

11、是风能向电能转化的主要零件4，齿轮箱部件是世界范围内生产风能发电机组零部件的故障率最高的之一。在中国，风电场在变速箱故障率的增长速度一直高达40?50，有些牌子的齿轮箱故障率有的甚至已经到了1005。相关数据统计，风电机组发生故障的主要部件是齿轮箱部件6。最近几年齿轮箱的故障发生率每年都是往上增加的趋势，故障发生的百分比已经远远大于60%了，它一直较其它部件的失效的可能性高非常多。风力发电机组一旦出现故障，极有可能造成风力发电机工作效率降低，甚至还有可能造成风力发电机停止转动，更严重的故障可能导致风机塔架倒塌甚至彻底报废，很大程度的影响风电场的生产安全性和经济利益。因而,风力发电机组单元的生长

12、授权的数量，以防止或减少事故的发生率， 小齿轮，Z4是大齿轮；Z5表示中间轴大齿轮，Z6表示小齿轮；Z7表示输出轴齿轮。 行星轮系为齿轮箱的一级增速装置，根据所学过的机械原理知识，得到，内齿圈的转速n2=0，而行星架的转速nH与输入轴的转速n0相等，它们之间的关系式如下： (2-2) (2-3) 结合上述条件，带入式（2-1）和（2-2）可以算出太阳轮轴转速n3以及行星轮的紫砖转速n1： （2-4） （2-5） 把行星轮系转化为转化轮系处理后可以使用定轴轮系的经验公式来计算各齿轮的故障特征频率，在计算行星轮处的轴承的故障特征频率的时候一定要使用行星轮的自转转速。在转化轮系中，三个行星轮位置相对

13、于太阳轮都是固定不动的。他们的自转规律是：行星齿轮自己转一圈，它身上的故障齿的啮合次数则为两次28；而太阳轮轴的小齿轮和内齿圈则是自己转一圈，他们的故障齿的啮合次数分别是三次。因此该行星轮系齿轮故障的特征频率如表 2.4 所示： 表2.4 常见故障特征频率 齿轮箱二级和三级增速结构同样都是定轴传动的，而且中间轴输出轴的转速是n5=n6,输出轴的转速为n7： (2-5） 由此可以得出： （2-6） （2-7） 从上面的式子我们就可以得到齿轮箱二级和三级的转速，而我们需要计算中间轴和输出轴对应的齿轮和轴承故障特征频率时可参照定轴轮系经验公式。 在正常情况下都需要使用齿轮和轴承，包括的配对齿轮的齿的

14、数目的基本参数的基本参数，滚动轴承直径分度圆直径和数量滚动元件轴承和压力角，如齿轮和轴承图2.3。故障特征频率齿轮系设置经验公式见表2.5。 图2.3齿轮、轴承参数 表2.5 特征频率计算 2.4 本章小结 本章阐述了风电齿轮箱总体结构以及齿轮箱的振动机理，详细介绍了几种常见的齿轮类故障和轴承类故障的发生原因以及振动信号特征，通过查阅相关工具资料，给出了齿轮箱各部分特征频率的计算公式，为下面的故障分析提供了很好的帮助。 第3章 常用风电齿轮箱故障诊断方法 绝大多数的风力发电机组处于恶劣的自然环境下，受这些自然条件以及齿轮箱本身结构的复杂性的影响，怎样准确的从采集的信号里获得故障特征，在风力发电

15、机组的齿轮箱故障诊断的过程中就显得十分重要了，下面介绍几 分的齿轮箱振动信号，却不能有效的进行分析。所以Coifman、Wickhauser及Meyer等人提出了小波包理论。小波包变换的优势在于能够弥补小波变换的不足之处，从而能够更好的表达信号的时频局部特性。 1、小波包原理 小波函数系去附近或者表达信号，这是小波分析的根本思想，小波函数系是最根本的小波函，通过满足特定条件下不同尺度的转换和压缩。小波函数特征是产品和非常低的带宽的广度，以及集中在时间和频率轴。因此,在低频率的时间-频率分辨率高频率分辨率;在高频率高时间分辨率和频率分辨率较低。这也是正交小波基的缺点。越来越多小波包的分辨率,更广

16、泛的光谱窗口进一步分割质量很好。 假设共轭滤波器满足：。令，根据双尺度关系，给定一列递归函数： （3-17） 式中：可以定义为尺度函数，是小波基函数，称由标准正交化的多尺度生成元导出的函数为关于的小波包.小波包的完整性和正交性使原始信号的信息得到完好的保存. 通过一组赋予信号较低，高通共轭正交的组合E、F,不断被评价为是截然不同的信号的通道。分解过程表3.1所示。 表3.1小波包分解原理 E F EE EF EF FF EEE FEE EFE FFE EEF FEF EFF FFF 2、小波包变换的基本过程： 小波包分解过程中，滤波器组的任何时间的作用,数据点也会相对应的减小一半。如果原始数据

17、的长度是,一旦分解L次,每个频谱数据的长度,是原始长度。如果你需要知道在一定频段频率成分,直接傅里叶变换是不方便。提出小波包信号提取算法，采用小波包频率信号可以基于在任何时间分辨率（以满足不确定原理），信号的频率不同群体的特点分解适当的频率。并根据先验知识,窄带宽和更高的信噪比。即使这个过程的本质是一个带通滤波器,过滤性能远优于有限脉冲响应(FIR)过滤带通滤波器阻带泄漏的影响更少。同时可以灵活和容易实现多个带通滤波器。 下面就是小波包变换实现的过程： （1）选取共轭正交滤波器，令。 （2）确定分解层数L,L>0。如果原始信号f(i)长度为,采样频率为,则分解层数L应小于N,第L层每个序

18、列的带宽为,起始频率为。 （3）根据初步知识和每个序列开始频率，频率分量计算位于第一层的L波段,记为p1,p2,pm。 （4）通过小波包分解的大规模电子邮件数据分解。第一层可以获得在不同序列频谱组。每个集序列，分别从所述低通滤波器的结果和一个高通滤波器的每一个的长度是,采样频率为.令(i=0,1,).则有下列递归分解公式: （3-19） （i=0,1, ;n=0,1,2l-1-1；l=1，2L) （ 5）令 （3-20） 组成新序列。 （6）利用回复公式重新组成信号： （3-21） 风力发电是一种齿轮箱故障信号瞬时频率突变和高频信号的持续时间短,在故障初期能量小的故障，小波包分析之所以能有效的

19、隔开故障特性、检测出弱瞬态成分的存在以及准确的确定时间的成分等，在于其具有正交性及良好的适应能力。 3.3 本章小结 本章阐述了风电齿轮箱故障诊断常用的分析算法，常用的算法有时域分析法、频谱分析法、Hibert包络解调分析法、倒频谱分析法及小波包分析法，详细介绍了这些分析算法的原理、优缺点以及适用的故障类型，为故障诊断系统设计做了比较充足的准备工作。 第4章 基于LabVIEW的风电齿轮箱故障诊断系统的设计 4.1 开发系统LabVIEW简介 虚拟仪器是美利坚众合国国家仪器有限公司（National Instrument Corp, NI）331986年提出的理念，是现代计算机技术和仪器技术的

20、产物，是一个重要的技术领域的计算机辅助测试。从本质上,是使用虚拟仪器硬件系统实现信号收集、测量和控制,使用计算请打软件功能完成信号数据计算、剖析及处置,显示使用计算机模拟控制面板传统仪器，产品尝试结果有许多形式,以实现需求的各种各样的测试函数。 LabVIEW虚拟仪器的出现大大提高虚拟仪器的开发效率,降低开发人员的需求。提高交互式虚拟仪器图形化开拓环境的彻底推翻了之前的开发工具与巨大的功用简单的思想和其自然的发展,应用直观和简单的方法大大降低了学习难度,软件界面如图4 - 1所示:： 图4.1 LabVIEW软件界面 对基于LabVIEW软件编程程序称为VI图4.2表示的就是LabVIEW软件

21、的每个部分的组成及功能： 图4.2 LabVIEW功能简图 4.2 风电齿轮箱故障诊断系统的设计要求及架构 风电齿轮箱故障诊断系统的目的是运用各种分析手段对振动数据进行分析，检测运行状态的每个组件实现故障早期预警和报警的目的,使风能发电机齿轮箱的正常运行,因此，系统必须具有以下的特性:(1)可以有效的及时的获取振动信号。(2)具有良好的持续性。(3)数据处理速度快，实时处理能力强。(4)可靠的数据传输及数据存储管理方式。(5)简洁的人机界面，方便工作人员操作。系统的总体设计如图4.3所示： 图4.3故障诊断系统总体结构 4.3 风电齿轮箱故障特征量提取系统的硬件搭建 该系统的整体结构，图4.4

22、为系统的硬件系统： 图4.4风电齿轮 箱故障诊断系统硬件结构图 本课题的硬件系统部分的重要部件有传感器、电荷放大器及数据采集卡等。目前在市场上，有着各种品牌的各种型号的硬件，要从中选择一款不仅适宜的硬件，考虑到成本,做系统的研究和开发以合理的价格，首先，了解硬件工程原理和功能。下面的监测系统,主要硬件详细摘要。 （1）传感器 本课题中主要是针对风电齿轮箱的振动信号进行采集，在选择传感器的时候，我们一般考虑一下几个要素：(l)灵敏度；(2)响应特性；(3)线性范围；(4)可靠性；(5)精确度。电式加速度传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高以及频率范围宽等优点,因此压电加速度传感器在目前振动测量中运用最为广泛。综上选择型号为秦呈岛盡华科技公司的YD84-CZ压电式加速度振动传感器,该传感器电荷敏捷度为(7-10)pC/g,对中高频振动有非常准确的精度,且使用方便 （2）电荷放大器 由于YD84振动传感器输出的信号为电荷信号,但是采集卡只能采集电压信号,所以在它们之间必须增加一个信号调理电路,本课题选用的电荷放大器型号为XK561,该型放大器最大电荷输入105pC,最大输出电伍是10V,频率范围为O.l-lOOKHz。 （3）数据采集卡 高速釆样、多种触发、存储数掘以及于算机之间交换数据是数据采样卡的优点,