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風(fēng)力發(fā)電已成為解決世界能源和環(huán)境問(wèn)題的重要力量但風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備部件精細(xì)，故障高發(fā)區(qū)較多。傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障檢測(cè)，通常使用振動(dòng)加速度傳感器或者SCADA數(shù)據(jù)。但振動(dòng)加速度傳感器與SCADA通常價(jià)格昂貴，且會(huì)有大量的數(shù)據(jù)冗余，不便于接下來(lái)的信號(hào)處理。本設(shè)計(jì)設(shè)想風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)，進(jìn)而位置將會(huì)產(chǎn)生微弱變化，若位置傳感器的精度能達(dá)到要求。便可根據(jù)位置傳感器檢測(cè)的信號(hào)來(lái)解決風(fēng)電機(jī)組的故障檢測(cè)。

設(shè)計(jì)方案：
1. 分別利用振動(dòng)加速度傳感器與位置傳感器測(cè)量齒輪箱正常狀態(tài)下（300r/min）運(yùn)行的振動(dòng)信息。
2. 分別利用振動(dòng)加速度傳感器與位置傳感器測(cè)量齒輪箱正常狀態(tài)下（300r/min）運(yùn)行的振動(dòng)信息。
3. 分析齒輪正常狀態(tài)運(yùn)行下的信號(hào)特征與故障狀態(tài)下運(yùn)行下的信號(hào)特征。
4. 對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行同步壓縮小波交叉變換處理，并繪出頻譜圖進(jìn)行分析。

數(shù)據(jù)采集：
實(shí)驗(yàn)作了關(guān)于齒輪的故障診斷實(shí)驗(yàn)。其中振動(dòng)加速度傳感器采樣頻率為 1280Hz，每組實(shí)驗(yàn)采集 100s，在轉(zhuǎn)速 300r/min 的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。齒輪箱設(shè)備中設(shè)置有 3 種齒輪狀態(tài)：正常、磨損、斷齒（從左到右依次為斷齒、磨損、正常）齒輪箱中各齒輪狀態(tài)如圖 1 所示。本次設(shè)計(jì)僅對(duì)齒輪箱的斷齒故障進(jìn)行分析，因此磨損實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)中未涉及。振動(dòng)傳感器擺放位置有軸向和徑向兩個(gè)位置，其中徑向測(cè)量數(shù)據(jù)效果較差而舍棄。共有 4 組數(shù)據(jù)。傳感器的放置位置如圖 2、圖 3 所示。

齒輪箱軸承試驗(yàn)臺(tái)

IDT zmid5201位置傳感器

振動(dòng)加速度傳感器。

圖 3 位置傳感器擺放位置

位置傳感器垂直放置于齒輪箱的軸向位置，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將會(huì)帶動(dòng)齒輪箱產(chǎn)生一定頻率的振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)位置傳感器滑片的上下運(yùn)動(dòng)。

主要使用matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

振動(dòng)加速度傳感器采集數(shù)據(jù)處理結(jié)果

1. 齒輪正常狀態(tài)運(yùn)行分析，檢測(cè)信號(hào)的同步壓縮小波交叉變換頻譜圖如下圖 所示

由上節(jié)分析知：其中正常齒輪振動(dòng)的頻譜圖上只有幅值較小的轉(zhuǎn)頻、幅值相對(duì)較大的嚙合頻率及嚙合頻率高次諧波頻率，沒(méi)有差值為轉(zhuǎn)頻的邊頻帶。由圖可以看出，經(jīng)過(guò)同步壓縮小波變換后，由于齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率較齒輪的嚙合頻率而言很小在時(shí)頻噗輸出時(shí)被濾除，僅剩下了齒輪的嚙合頻率及其二次諧波。但是由頻譜圖可以看出正常運(yùn)行狀態(tài)下的齒輪的嚙合頻率的幅值較小，頻譜較不明顯。

2. 齒輪斷齒狀態(tài)運(yùn)行分析，檢測(cè)信號(hào)的同步壓縮小波交叉變換頻譜圖如下圖 所示

斷齒故障發(fā)生后，齒輪的振動(dòng)頻譜圖會(huì)有一些變化，表現(xiàn)為：齒輪的嚙合頻率和其高次諧波幅值相對(duì)增大，其附近會(huì)出現(xiàn)明顯的差值為轉(zhuǎn)頻的邊頻帶，邊頻帶較寬。齒輪磨損的頻譜也會(huì)出現(xiàn)邊頻帶，但其相對(duì)于斷齒故障，它的邊頻帶就不那么明顯。由圖中可以看出齒輪斷齒故障狀態(tài)下運(yùn)行的頻譜圖其齒輪嚙合頻率幅值較大且頻譜明顯。據(jù)此對(duì)比圖 可以判斷出齒輪處于故障運(yùn)行狀態(tài)下。

ZMID5201位置傳感器采集數(shù)據(jù)處理結(jié)果

由于采樣頻率的過(guò)小以及傳感器的精度所限制，經(jīng)多次數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析后，很遺憾的不得不宣布本次設(shè)計(jì)以失敗告終。齒輪箱正常狀態(tài)運(yùn)行以及斷齒狀態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)幅度都無(wú)法被傳感器檢測(cè)到或者位置僅僅有很小很小的變化。對(duì)采集到的正常運(yùn)行數(shù)據(jù)與斷齒數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無(wú)法得到相應(yīng)的頻譜圖，無(wú)法展現(xiàn)出相應(yīng)的頻率特征。具體頻譜圖如下圖所示。

通過(guò)上面的頻譜圖我門可以觀察到信號(hào)頻率聚集在 550HZ 左右，雖然故障運(yùn)行狀態(tài)下的信號(hào)頻譜圖的能量更大一些，但是并不滿足上述齒輪正常運(yùn)行以及故障運(yùn)行的頻率特性，頻率同步壓縮小波交叉變換得到頻譜圖無(wú)法分析齒輪箱的故障。通過(guò)同步壓縮小波交叉變換無(wú)法判斷出齒輪箱是否處于故障運(yùn)行狀態(tài)，為了查明原因，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行了曲線繪制，來(lái)觀察采集到的信號(hào)的具體波形如圖 7 所示。經(jīng)分析可知由于傳感器的信號(hào)采樣頻率不能滿足香農(nóng)采樣定理，故采集到的信號(hào)不能完全恢復(fù)至原始信號(hào)。

報(bào)告+數(shù)據(jù)處理代碼.zip