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風(fēng)力發(fā)電已成為解決世界能源和環(huán)境問題的重要力量但風(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，通常使用振動加速度傳感器或者SCADA數(shù)據(jù)。但振動加速度傳感器與SCADA通常價格昂貴，且會有大量的數(shù)據(jù)冗余，不便于接下來的信號處理。本設(shè)計設(shè)想風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障狀態(tài)下運轉(zhuǎn)時將會產(chǎn)生較強的振動，進(jìn)而位置將會產(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)位置傳感器檢測的信號來解決風(fēng)電機(jī)組的故障檢測。

設(shè)計方案：
1. 分別利用振動加速度傳感器與位置傳感器測量齒輪箱正常狀態(tài)下（300r/min）運行的振動信息。
2. 分別利用振動加速度傳感器與位置傳感器測量齒輪箱正常狀態(tài)下（300r/min）運行的振動信息。
3. 分析齒輪正常狀態(tài)運行下的信號特征與故障狀態(tài)下運行下的信號特征。
4. 對采集到的信號進(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：
實驗作了關(guān)于齒輪的故障診斷實驗。其中振動加速度傳感器采樣頻率為 1280Hz，每組實驗采集 100s，在轉(zhuǎn)速 300r/min 的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實驗。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)計僅對齒輪箱的斷齒故障進(jìn)行分析，因此磨損實驗本實驗中未涉及。振動傳感器擺放位置有軸向和徑向兩個位置，其中徑向測量數(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。

齒輪箱軸承試驗臺

IDT zmid5201位置傳感器

振動加速度傳感器。

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)動時將會帶動齒輪箱產(chǎn)生一定頻率的振動，進(jìn)而帶動位置傳感器滑片的上下運動。

主要使用matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

振動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)運行分析，檢測信號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：其中正常齒輪振動的頻譜圖上只有幅值較小的轉(zhuǎn)頻、幅值相對較大的嚙合頻率及嚙合頻率高次諧波頻率，沒有差值為轉(zhuǎn)頻的邊頻帶。由圖可以看出，經(jīng)過同步壓縮小波變換后，由于齒輪的轉(zhuǎn)動頻率較齒輪的嚙合頻率而言很小在時頻噗輸出時被濾除，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)運行分析，檢測信號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，齒輪的振動頻譜圖會有一些變化，表現(xiàn)為：齒輪的嚙合頻率和其高次諧波幅值相對增大，其附近會出現(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出現(xiàn)邊頻帶，但其相對于斷齒故障，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)此對比圖 可以判斷出齒輪處于故障運行狀態(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)計以失敗告終。齒輪箱正常狀態(tài)運行以及斷齒狀態(tài)運行時產(chǎn)生的振動幅度都無法被傳感器檢測到或者位置僅僅有很小很小的變化。對采集到的正常運行數(shù)據(jù)與斷齒數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無法得到相應(yīng)的頻譜圖，無法展現(xiàn)出相應(yīng)的頻率特征。具體頻譜圖如下圖所示。

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

報告+數(shù)據(jù)處理代碼.zip