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[摘 要]风能作为新能源的重要组成部分，其产业发展迅速，规模较大。但风电设备运行环境极其恶劣，容易发生故障。风电齿轮箱作为目前风电设备的主流机型的关键部件，其运行状况对整台风机产生很大影响。因此，对风电齿轮箱进行状态监测与故障诊断，进而提高风电机组的可靠性是很有必要的。本文主要对风电齿轮箱复合故障信号的传递路径进行了分析，希望为以后的具体工作起到实际的参考作用。
[关键词]风电齿轮箱；复合故障；传递路径
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）02-0147-01
1、风电齿轮箱结构特性分析
1.1、风电齿轮箱传动方案
行星齿轮传动方式通过改善受力状况，提高了传动比和传动效率，并降低了齿轮箱对工作空间的要求，但与定平行轴齿轮传动方式相比，增加了制造成本和行星齿轮与轴承的故障发生概率，降低了风电齿轮箱整体的可靠性。作为容量为1.5KW风电齿轮箱，目前在国内的风电机组中应用最广泛的是一级行星+两级定平行轴传动结构。所以，本文研究的风电齿轮箱结构为一级行星齿轮传动+两级定平行轴齿轮传动结构。
1.2、风电齿轮箱结构组成
齿轮箱增速双馈异步变速发电机的兆瓦级风电机组是目前风电设备的主流机型，而此种机型的增速齿轮箱常用结构为一级行星齿轮加两级定平行轴齿轮传动。所以本文以图1b）所示的一级行星加两级定平行轴形式的风电齿轮箱为研究对象，但为了研究和实验的需要，在保证风电齿轮箱基本结构不变的前提下，对实际风电齿轮箱的结构进行了适当改变，如图1所示。
整个风电齿轮箱根据各个部件的作用不同分成4个部分：箱体部分、轴部分、轴承部分和齿轮部分。
（1）箱体部分
主要由两大部分组成，一部分为圆柱型箱体，主要用来支撑一级行星齿轮传动；一部分为方型箱体，主要用来支撑两级定平行轴齿轮传动。箱体主要作用是为齿轮、轴承和轴等部件提供安装的载体，并与内齿圈形成一体，参与行星机构的传动，同时提供齿轮润滑所需的存油空间。材料通常为铸铁，也可以用结构钢焊接而成。
（2）轴部分
主要包括输入轴、低速轴、中间轴和高速轴，如图1b）所示。轴的主要作用用来支撑齿轮（有时轴和齿轮形成一个整体即齿轮轴），通常既承受转矩又承受弯矩。在设计的过程中要着重考虑主轴的受力以及强度和刚度的要求，从而确定其材料和相应的轴的尺寸，并据此选择合适的轴承来支撑轴的正常运转。
（3）轴承部分
对于上述4根轴均有一对轴承进行支撑。实际的风电齿轮箱由于运行环境恶劣，载荷较大，通常采用滚子轴承。本文所研究的风电齿轮箱跟据需要进行了改进，使用深沟球轴承来支撑各个轴。风电齿轮箱中的轴承受力较为复杂，通常既有径向力又有轴向力，同时滚道与滚动体之间为点接触或线接触，因此很容易发生故障。
（4）齿轮部分
齿轮是风电齿轮箱实现转速和转矩传递的核心组件，其增速部分由三级组成：一级行星传动和两级定平行轴传动。行星传动采用直齿轮，两级定平行轴传动都采用斜齿轮传动。这是因为离输出轴越近，转速越高，需要传动更加平穩，噪音更小。而斜齿轮重合度比直齿轮大，当转速较高时，性能更好，能够满足高速传动要求。一级行星传动部分采用内啮合的方式传递运动和动力，载荷由均匀分布的3个行星轮共同承担，所以空间利用率较高，结构比较紧凑，受力状况较好。齿轮箱传动比的合理分配也很重要，通常风电齿轮箱各级传动比在3-5之间。本文所研究的风电齿轮箱行星传动部分的传动比为5.65，两级定平行轴的传动比分别为3.48和2.87。
2、基于功率流有限元法的传递路径仿真分析
2.1、功率流有限元法
功率流有限元法是一种预测结构中振动能量的方法，已经受到研究人员越来越多的重视。功率流有限元法首先通过有限元软件对结构进行振动响应分析（通常为谐响应分析），然后依据功率流的基本理论获得系统的功率流，从而评价结构的振动传递特性。在有限元模型中，欲获得某个节点的功率流，首先需要得到各节点的力和速度。
2.2、风电齿轮箱模型简化
三维几何模型是有限元分析的基础。然而，很多大型复杂的几何模型不但建模困难，而且由于点接触和线接触等非线性因素很可能造成有限元计算不收敛。所以，在保证分析准确的前提下，去除不需要的特征、修补模型缺陷以及转化不收敛特征等模型简化工作成为有限元分析的首要环节。
通常情况下，三维模型中的螺纹孔和通孔只起连接作用，通过有限元软件中的连接设置可在去除这些特征时而不影响模型分析的准确性。同时，相关的螺栓和螺母等紧固件也可一并去除。当倒角和圆角的尺寸较小时，网格会在这些局部区域更加密集甚至质量无法保证，不利于有限元的分析。所以，当这些倒角和圆角与所关注的分析区域无关时，可将其去除。综上所述，风电齿轮箱的模型简化如图2所示。
2.3、风电齿轮箱有限元分析的后处理
目前，ANSYS有限元分析软件还无法直接输出各个节点的功率流，需要根据需要分别提取节点的力和速度。但速度无法直接提取，需要对节点各个方向的位移进行求导，而后才能获得节点各个方向的速度。本文首先使用ANSYS软件自带的APDL语言建立提取各个节点功率的命令流，并将指示点和监测点在频率范围内的各个载荷步的功率流输出到TXT文件中，再使用MATLAB软件对输出的数据进行处理，获得能量保持因子和传递路径的贡献量随频率的变化趋势，最后确定主要传递路径。
结束语
风电齿轮箱作为目前风电设备的关键部件，长期工作在复杂的交变载荷下，导致故障发生率在逐年增高。因此，对风电齿轮箱进行状态监测与故障诊断是很有必要的。目前，风电齿轮箱的结构多含有行星传动机构，而行星轮一旦发生故障，其故障振动信号的传递路径是时变的，这为风电齿轮箱的故障诊断带来了巨大的挑战。故障振动信号的敏感测点和传递路径研究是风电齿轮箱故障诊断的基础，也因此受到了越来越多研究人员的关注。
参考文献
[1] 王况.基于非平稳信号的行星齿轮箱故障诊断[D].电子科技大学，2016.
[2] 窦宏印.风电齿轮箱复合故障信号的传递路径研究[D].哈尔滨工业大学，2016.
[3] 王志坚.齿轮箱复合故障诊断特征提取的若干方法研究[D].太原理工大学，2015.
[关键词]风电齿轮箱；复合故障；传递路径
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）02-0147-01
1、风电齿轮箱结构特性分析
1.1、风电齿轮箱传动方案
行星齿轮传动方式通过改善受力状况，提高了传动比和传动效率，并降低了齿轮箱对工作空间的要求，但与定平行轴齿轮传动方式相比，增加了制造成本和行星齿轮与轴承的故障发生概率，降低了风电齿轮箱整体的可靠性。作为容量为1.5KW风电齿轮箱，目前在国内的风电机组中应用最广泛的是一级行星+两级定平行轴传动结构。所以，本文研究的风电齿轮箱结构为一级行星齿轮传动+两级定平行轴齿轮传动结构。
1.2、风电齿轮箱结构组成
齿轮箱增速双馈异步变速发电机的兆瓦级风电机组是目前风电设备的主流机型，而此种机型的增速齿轮箱常用结构为一级行星齿轮加两级定平行轴齿轮传动。所以本文以图1b）所示的一级行星加两级定平行轴形式的风电齿轮箱为研究对象，但为了研究和实验的需要，在保证风电齿轮箱基本结构不变的前提下，对实际风电齿轮箱的结构进行了适当改变，如图1所示。
整个风电齿轮箱根据各个部件的作用不同分成4个部分：箱体部分、轴部分、轴承部分和齿轮部分。
（1）箱体部分
主要由两大部分组成，一部分为圆柱型箱体，主要用来支撑一级行星齿轮传动；一部分为方型箱体，主要用来支撑两级定平行轴齿轮传动。箱体主要作用是为齿轮、轴承和轴等部件提供安装的载体，并与内齿圈形成一体，参与行星机构的传动，同时提供齿轮润滑所需的存油空间。材料通常为铸铁，也可以用结构钢焊接而成。
（2）轴部分
主要包括输入轴、低速轴、中间轴和高速轴，如图1b）所示。轴的主要作用用来支撑齿轮（有时轴和齿轮形成一个整体即齿轮轴），通常既承受转矩又承受弯矩。在设计的过程中要着重考虑主轴的受力以及强度和刚度的要求，从而确定其材料和相应的轴的尺寸，并据此选择合适的轴承来支撑轴的正常运转。
（3）轴承部分
对于上述4根轴均有一对轴承进行支撑。实际的风电齿轮箱由于运行环境恶劣，载荷较大，通常采用滚子轴承。本文所研究的风电齿轮箱跟据需要进行了改进，使用深沟球轴承来支撑各个轴。风电齿轮箱中的轴承受力较为复杂，通常既有径向力又有轴向力，同时滚道与滚动体之间为点接触或线接触，因此很容易发生故障。
（4）齿轮部分
齿轮是风电齿轮箱实现转速和转矩传递的核心组件，其增速部分由三级组成：一级行星传动和两级定平行轴传动。行星传动采用直齿轮，两级定平行轴传动都采用斜齿轮传动。这是因为离输出轴越近，转速越高，需要传动更加平穩，噪音更小。而斜齿轮重合度比直齿轮大，当转速较高时，性能更好，能够满足高速传动要求。一级行星传动部分采用内啮合的方式传递运动和动力，载荷由均匀分布的3个行星轮共同承担，所以空间利用率较高，结构比较紧凑，受力状况较好。齿轮箱传动比的合理分配也很重要，通常风电齿轮箱各级传动比在3-5之间。本文所研究的风电齿轮箱行星传动部分的传动比为5.65，两级定平行轴的传动比分别为3.48和2.87。
2、基于功率流有限元法的传递路径仿真分析
2.1、功率流有限元法
功率流有限元法是一种预测结构中振动能量的方法，已经受到研究人员越来越多的重视。功率流有限元法首先通过有限元软件对结构进行振动响应分析（通常为谐响应分析），然后依据功率流的基本理论获得系统的功率流，从而评价结构的振动传递特性。在有限元模型中，欲获得某个节点的功率流，首先需要得到各节点的力和速度。
2.2、风电齿轮箱模型简化
三维几何模型是有限元分析的基础。然而，很多大型复杂的几何模型不但建模困难，而且由于点接触和线接触等非线性因素很可能造成有限元计算不收敛。所以，在保证分析准确的前提下，去除不需要的特征、修补模型缺陷以及转化不收敛特征等模型简化工作成为有限元分析的首要环节。
通常情况下，三维模型中的螺纹孔和通孔只起连接作用，通过有限元软件中的连接设置可在去除这些特征时而不影响模型分析的准确性。同时，相关的螺栓和螺母等紧固件也可一并去除。当倒角和圆角的尺寸较小时，网格会在这些局部区域更加密集甚至质量无法保证，不利于有限元的分析。所以，当这些倒角和圆角与所关注的分析区域无关时，可将其去除。综上所述，风电齿轮箱的模型简化如图2所示。
2.3、风电齿轮箱有限元分析的后处理
目前，ANSYS有限元分析软件还无法直接输出各个节点的功率流，需要根据需要分别提取节点的力和速度。但速度无法直接提取，需要对节点各个方向的位移进行求导，而后才能获得节点各个方向的速度。本文首先使用ANSYS软件自带的APDL语言建立提取各个节点功率的命令流，并将指示点和监测点在频率范围内的各个载荷步的功率流输出到TXT文件中，再使用MATLAB软件对输出的数据进行处理，获得能量保持因子和传递路径的贡献量随频率的变化趋势，最后确定主要传递路径。
结束语
风电齿轮箱作为目前风电设备的关键部件，长期工作在复杂的交变载荷下，导致故障发生率在逐年增高。因此，对风电齿轮箱进行状态监测与故障诊断是很有必要的。目前，风电齿轮箱的结构多含有行星传动机构，而行星轮一旦发生故障，其故障振动信号的传递路径是时变的，这为风电齿轮箱的故障诊断带来了巨大的挑战。故障振动信号的敏感测点和传递路径研究是风电齿轮箱故障诊断的基础，也因此受到了越来越多研究人员的关注。
参考文献
[1] 王况.基于非平稳信号的行星齿轮箱故障诊断[D].电子科技大学，2016.
[2] 窦宏印.风电齿轮箱复合故障信号的传递路径研究[D].哈尔滨工业大学，2016.
[3] 王志坚.齿轮箱复合故障诊断特征提取的若干方法研究[D].太原理工大学，2015.