行星齿轮故障下电机杂散磁场研究

2020-09-10 22:23刘官瑞
内燃机与配件 2020年16期

刘官瑞

摘要:行星齿轮箱在现代工业设备中被广泛使用,但是由于其使用条件恶劣,齿轮箱的部件往往容易发生故障。电机电流特征分析法(MCSA)已被广泛应用到故障监测中,但是由于电机结构的限制电流中并没有包含全部的特征信息。当行星齿轮发生故障时,传动轴转速的瞬态变化会造成电机气隙磁场波动,大部分信息存在于电机的气隙磁场中。同时由于制造误差、装配误差等原因电机转子往往存在着动态偏心故障,行星齿轮箱的故障与电机转子偏心同时存在时,故障的耦合情况还不得而知基于这些事实,本文推导了机电耦合下的三相异步电机气隙磁场特征,给出了转速波动和转角波动对电流的影响,并分析了耦合下的行星齿轮箱故障特征。

Abstract: Planetary gearboxes are widely used in modern industrial equipment, but due to their harsh conditions of use, gearbox components are often prone to failure. The motor current characteristic analysis method MCSA has been widely used in fault monitoring, but due to the limited current of the motor structure, all the characteristic information is not included. When the planetary gear fails, the transient change of the transmission shaft speed will cause the air gap magnetic field of the motor to fluctuate. Most of the information exists in the air gap magnetic field of the motor. At the same time, due to manufacturing errors, assembly errors and other reasons, the motor rotor often has dynamic eccentricity faults. When the planetary gearbox fault and the motor rotor eccentricity exist at the same time, the coupling of the fault is still unknown. Based on these facts, this article derives the electromechanical coupling. The characteristics of the air gap magnetic field of the three-phase asynchronous motor are given, and the influence of speed fluctuation and angle fluctuation on the current is given, and the fault characteristics of the planetary gearbox under coupling are analyzed.

关键词:行星齿轮箱;三相异步电机;故障监测;气隙磁场;转矩波动;杂散磁场;

Key words: planetary gearbox;three-phase asynchronous motor;fault monitoring;air gap magnetic field;torque fluctuation; stray magnetic field

0  引言

在现代工业中,由于行星齿轮结构紧凑、传动比和传动功率大等优点被广泛应用,比如风力发电机、采矿机械、铁路牵引系统、电动车。由于行星齿轮工作环境恶劣、负载波动大等因素,齿轮容易出现点蚀、疲劳、裂纹断齿等故障。但是对于一些行业来说齿轮发生故障,往往意味着经济上的损失,这些损失一般来说是不可逆的。因此,关于行星齿轮箱的故障诊断研究十分重要。能及时诊断行星齿轮箱的故障,根据需要修复或更换齿轮,可以保证机械设备的正常工作效率,具有巨大的经济效益。

常见的齿轮故障监测信号有横向振动信号、电气信号、声信号等。Inalpolat[1]提出了一个简化的动力学模型,研究了行星齿轮组振动信号的边带调制,He[2]建立了行星齿轮系的刚柔耦合动力学模型是研究不同条件下的浮动太阳轮的振动特性,Leaman[3]提出一种准确且易于使用的方法来定位由行星齿轮箱齿圈声发射源。由于行星齿轮做的是复合运动,且工作环境恶劣。通过动力学模型分析以上两种信号的方法往往与实际情况差异较大,对后面的信号分析造成了困难。对于行星齿轮的故障检测振动传感器已经使用了很长时间,以收集变速箱和发电机的运行状况数据。然而振动传感器价格昂贵且难以安装。理想状态监测系统应具有最小的系统测量值。因此,电气特征频率分析廉价,易于安装和易于检查是监视机电系统运行状况并且检测故障的最有利方法之一。而电机电流分析方法(MCSA)使用电气信号对齿轮故障进行诊断,其本质上利用电机获取扭矩振动信号,而扭转振动传递路径的距离不受啮合位置变化的影响,因此行星齿轮箱扭转振动信号频率结构更为简单,更有利于故障特征的识别。针对电流信号故障建模,[4]通过建立电机与轴的动力学模型,证明了用定子电流来检测机械故障的可能性,说明了该方法具有大力发展的潜力。

但是由电机原理可知,定子电流谐波受到绕组极对数与转子导条數配合的限制,所以定子电流谐波只是磁场谐波一部分的体现。磁场所包含的机械设备的信息往往比电流所包含的信息多[5],且磁场分析的方法不受电机种类影响。Yazidi[6]证明了一个简单的外部漏磁通传感器比MCSA在感应电机中来检测定子和转子的故障更有效。Hwang[7]利用电机内部磁场诊断定子匝间短路故障,能准确定位出定子的故障位置。同时现有的文献往往只考虑了轴的扭转振动,而忽略了扭转振动对电机转子偏心的影响。由电机学原理可知扭转振动引起电机气隙磁场的变化,偏心振动则引起磁通间隙的变化,而这两种振动现象是相互耦合的,只有将两者结合起来才能更好的反应电机拖动的齿轮故障。

綜合上述文献可以看出,行星齿轮箱扭转振动相对于横向振动形式更加简单,电机磁场有着比电机电流更加丰富的谐波数,但是目前对于电机磁场的研究主要在电机内部故障。行星齿轮箱故障和电机转子偏心故障的耦合在电机磁场中的频率特征,调频调幅形式目前还不得而知。建立行星齿轮故障与电机磁场相结合的动力学模型,分析两者之间的耦合关系,还有待系统的阐释。本文在前有的文献的基础上,利用数学公式代替齿轮箱转速的动态响应分析了,数学公式方法简明表示了两种故障耦合情况下三相感应电机的气隙磁场特征,并给出了相应的频率特征。

1  转子振动时电机内部磁场分析

1.1 气隙偏心及气隙磁导率

电机转子发生动态偏心,仍以定子圆心为旋转中心。最小气隙位置随轴的转动发生改变,所以该最小位置是时间和空间的函数。

某一时刻发生偏心时定子圆周各处的气隙磁导率[8],?姿0表示平均磁导率,?着d表示偏心率:

1.2 转矩波动对定转子磁动势的影响

假设供电频率完全正弦则由定子产生的磁动势为:

其中wr0表示电机平均转速,TC表示故障带来的转矩波动幅值,J表示转子的转动惯量,WC表示转矩波动频率,如果由故障齿该波动频率发生变化,是一个时间的函数。

由式(8)可知由于气隙偏心导致了磁场产生了p±1级磁场。当气隙磁场极对数与定子磁动势相同时才能在定子中产生相应的感应电流,但是在转子鼠笼中可以感应出反电动势[9],所以磁场信息比电流信息丰富。

由式(8)可知啮合频率对感应线圈中的电流同时造成了幅度调制和频率调制得到感应线圈中的特征频率为:

2  结论

通过对三相异步电机的推导建立了,磁场感应线圈中的幅度调制和频率调制公式,给出了相应的特征频率。通过分析可以发现在磁场中的频率成份比电流的频率成份多许多,如频率就是在电流信号中所不存在的,这是因为电机定子导条数限制了一些磁动势在定子绕组中感应出相应阶次的电流。同时由于机电的相互耦合行星齿轮箱的啮合频率和故障频率都会在三相异步电机的气隙磁场中参与频率调制。不足的是,本文没有考虑三相异步电机的绕组结构,没有建立行星齿轮箱的动力学模型。

参考文献:

[1]Meltzer G , Dien N P . Fault diagnosis in gears operating under non-stationary rotational speed using polar wavelet amplitude maps[J]. Mechanical Systems & Signal Processing, 2004, 18(5):985-992.

[2]Kang Y , Wang C C . The Application on Gear Fault Detection by Using Fast Time-Frequency Order Spectrum[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 284-287:538-542.

[3]Inalpolat M, Kahraman A . A theoretical and experimental investigation of modulation sidebands of planetary gear sets[J]. Journal of Sound and Vibration, 2009, 323(3-5):677-696.

[4]He, GL , Ding, K . Dynamics modeling and vibration modulation signal analysis of wind turbine planetary gearbox with a floating sun gear[J]. RENEWABLE ENERGY.

[5]Leaman F, Hinderer S, Baltes R, et al. Acoustic Emission Source Localization in Ring Gears from Wind Turbine Planetary Gearboxes[J]. Forschung im Ingenieurwesen, 2019(1).

[6]W. T. Thomson, “On-line current monitoring to detect electrical and mechanical faults in three-phase induction motor drives,” in Proc. Int. Conf.Life Manage. Power Plants, Dec. 1994, pp. 66-73.

[7]Daneshi-Far Z , Henao H , Capolino G A . Planetary gearbox effects on induction machine in wind turbine: Modeling and analysis, Xxth International Conference on Electrical Machines. IEEE, 2012.

[8]Ottewill J R , Ruszczyk A , Broda D . Monitoring tooth profile faults in epicyclic gearboxes using synchronously averaged motor currents: Mathematical modeling and experimental validation[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2017, 84:78-99.

[9]Adlene R , Abderrazak L . Study on the influence of backlash phenomenon on wind turbine power using bond graph approach[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2018, 40(2):91.

[10]Feki N , Clerc G , Velex P . An integrated electro-mechanical model of motor-gear units—Applications to tooth fault detection by electric measurements[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2012, 29(none):377-390.