自2000年以来全球风电总装机容量年均增长率达24%，风能发展前景十分广阔^[1]。然而恶劣的外部工况以及复杂的内部激励使得风机的重要机械组成部分--风机传动链故障多发，严重阻碍了风机连续运行，大大降低了风机可靠性，缩短了风机使用寿命，增加了风能行业的成本^[2-3]。因而对风机传动链的动态特性的研究至关重要^[4-6]。

目前风机传动链动态特性研究主要有3个方式：理论建模、试验台测试、风场测试^[7]。朱才朝等建立齿轮-传动轴-箱体系统耦合非线性动力学模型，分析了系统内部激励作用下风机传动链核心部件--风电齿轮箱的动态特性，研究了轮齿修形、柔性销轴对风电齿轮箱动态特性的影响^[8-10]。董文斌等对动载荷下风机传动链基于时域的齿轮接触疲劳进行分析^[11]。Nejad分析了风机传动链风载下齿轮的长期疲劳损伤与可靠性^[12]。

Jan Helsen等利用13.2 MW背靠背风电齿轮箱试验台对风机传动链理论模型结果进行验证对比分析^[13]。美国可再生能源实验室NREL采用一系列状态监测手段在试验台上对风机传动链的动态特性进行了相关研究^[14]。

风场测试同样是风机传动链动态特性研究不可缺少的环节。试验台测试不能完全替代风机现场测试，试验实验不仅不能完全模拟风场复杂多变的风况，而且风机传动链支撑刚度与试验台差别较大。但是由于风机多位于高山、滩涂、戈壁等人迹罕至地区，风机现场运行时的动态特性实验收到了有很因素的约束。因此开展对兆瓦级风力发电机组传动链动态特性实时在线检测的研究，具有重要工程实用价值。

1 兆瓦级风电机组传动链结构及传动原理

风机可以分为水平轴风机和竖直轴风机，目前工业所用风机以水平轴式风机为主，其常见的传动链布置有：模块化传动，集成式传动，部分集成式传动以及直驱传动。目前风能领域通常采用模块化传动链结构。工业领域最常用3点支撑模块化传动链布置如图 1所示。

风驱动叶片将风能转化为机械能，通过主轴、增速齿轮箱和发电机，将机械能转化为电能。增速齿轮箱作为风机传动链的关键变速部件，传动系统较为复杂。图 2某兆瓦级风机传动链中齿轮箱传动原理图，由一级行星和两级平行轴传动构成，第一级LSS行星传动由齿圈、行星轮、行星架和太阳轮轴组成，齿圈固定，行星架输入，太阳轮输出，太阳轮轴通过花键与ISS的主动轮相连接。ISS和HSS均为平行级，功率由大齿轮传递给小齿轮，将行星架输入的低转速转化为HSS输出端高转速输出。

风机传动链中机械刹车一般布置在高速轴端，由一个刚性盘组成，刚性地固定在刹车轴上，由固定在轴上的制动器进行制动；联轴器采用弹性联轴器；发电机通过支架固定在机舱上；整个传动链由主轴和齿轮箱2个扭力壁3点支撑在机舱上，机舱由塔架支撑在地面上。

2 兆瓦级风电机组传动链远程在线测试方法

基于SKF WindCon^[15]系统建立风机传动链振动状态测试系统如图 3所示，系统主要由信号采集模块、信号远程传送模块、信号在线测试模块和数据库模块组成。信号采集模块主要由传感器、信号线、信号采集单元组成。由于风机传动链振动频响范围较宽，且机舱环境复杂且狭小，为方便安装与拆装，选择振动加速度传感器。同时风电机组安装在数十米的高空，通过柔性搭架支撑，传动链振动高频成分衰减较快，风机叶片转速通常在17~22 r/min。因此在传动链主轴支撑、支撑机座及塔架上选用低频三向加速度传感器，频响范围为0.2~1 000 Hz；在电机轴承座、齿轮箱轴承座及齿轮箱体部位处选用频响范围为1~10 000 Hz的三向加速度传感器^[15]，传动链测点布置示意图如图 4所示。

布置在传动链各关键部位的振动加速度传感器通过配套信号线将采集的信号传递至固定在机舱内的WindCon智能采集单元，WindCon智能采集单元将模拟信号转化为数字信号，并对原始信号作初步的计算处理(如傅里叶变换)。采集及处理的数据以GPRS方式发射到Internet网络，完成数据的远程传送，监控主机利用VPN (虚拟专用网络)路由器从Internet下载风场测试数据至数据库，从而完成风机的远程在线检测^[16]。

3 某1.5 MW风电机组传动链远程在线测试

对某3点支撑的1.5 MW风力发电机组传动链进行实时在线检测，传动链部分参数如表 1所示，齿轮参数如表 2所示，额定转速工况下部分特征频率如表 3所示。

K_i, i=1, 2, …，9分别为叶片支撑刚度，轮毂支撑刚度，轮毂锁紧盘刚度，联轴器刚度，轴刚度，主轴轴承刚度，齿轮箱扭力臂支撑刚度，发电机转子轴承刚度吗，发电机定子支撑刚度，支撑机座刚度。C_i, i=1, 2, …，5分别为联轴器阻尼，发电机转子阻尼，主轴轴承阻尼，扭力臂阻尼，支撑机座阻尼。

风机传动链拓扑关系如图 5所示，叶片根部与轮毂固定连接，轮毂与主轴连接，主轴利用锁紧盘与齿轮箱上的行星架相连接，通过主轴轴承支撑在机舱上，齿轮箱通过左右2个扭力臂支撑在机舱上，同时通过齿轮高速轴与联轴器连接，联轴器与发电机转子相连，发电机定子通过支架支撑在机舱上，机舱由塔架支撑。

根据风机传动链几何拓扑关系图，可以建立系统动力学方程^[17]

$\mathit{\boldsymbol{Mx}} + \mathit{\boldsymbol{Cx}} + \mathit{\boldsymbol{Kx}} = \mathit{\boldsymbol{F}}\left( t \right)$

(1)

式中，M为系统质量矩阵，$\mathit{\boldsymbol{x}}\left( {\ddot x,\dot x} \right)$为系统振动位移(速度，加速度)矩阵；C为系统阻尼矩阵；K为系统刚度矩阵；F为系统外部载荷矩阵。

目前国内外对基于上述风机传动链动力学特性进行了大量研究^[18]，从风场测试的角度来揭示传动链动态特性。图 6是测试风机运行时的功率和转速曲线，图 7是传动链齿轮箱高速级测点Y方向振动三维瀑布图和频谱图，可以看出系统振动除转频25.78 Hz外，还有高速级啮合频率761 Hz及其2倍频，且啮合频率对应振动幅值较大。在振动速度频谱图中存在1.563 Hz频率，系传动链低频扭振频率。

传动链中齿轮箱其他测点，如扭力臂、低速轴及齿圈等的振动特征与高速轴测点类似，均表现为各级齿轮啮合频率、高速轴转频。

风机传动链中支撑机架处振动主要集中在低频区域，如图 8所示，振动速度幅值较大的频率有1.72 Hz、3.38 Hz，主要来自于低速部件转频及塔架频率。发电机测点频谱中的周期信号成分与齿轮箱中、高速级齿轮啮合吻合较少，因为电机输入端通过弹性联轴器与齿轮箱输出端相连，弹性联轴器衰减了齿轮箱的振动频率成分。

图 9(a)、(b)是风机正常启、停时齿轮箱高速级Y向测点拓扑图。启动过程中，高速级啮合频率从无到有，且对应的振动幅值从小到大，高速级啮合频率三倍从小到大变化；风机停机过程中，齿轮啮合频率由大到小，达到某一阈值后测点振动周期成分消失。风机传动链在启、停工况下均存在1.73 Hz频率，为系统扭振频率。图 9(c)是风机正常运行时测点振动趋势图，风机在相对稳定运行的工况下测点振动水平不稳定，与风湍流有关。

4 结论

传动链作为风力发电机组的主要组成部分，工作在柔性塔架支撑、风向和载荷多变等复杂恶劣的环境下，其动态特征直接影响风机可靠性和使用寿命。基于SKF的WindCon智能采集系统，以某兆瓦级风力发电机组为例，在正常运行和启、停工况下对传动链的动态特性进行了测试分析。

测试结果表明风机传动链中齿轮箱各测点振动频率主要是其转频、各级齿轮啮合频率及其倍频，伴随有高速轴转频调制现象。传动链中支撑机架在低频区域的振动还包含传动链扭振和塔筒振动。风机传动链的第一阶固有频率1.73 Hz，为系统扭振频率，风机在启、停工况下存在较大的冲击振动，与风湍流有关。