The gearbox of a wind turbine increases the revolution speed of input drive shaft rotating at variable wind speeds with a large torque to generate a high electrical power. Because gearbox failure causes the damage of the operation of wind turbine system for a long time, the condition of major parts of gearbox needs to be monitored before a small fault develops into a serious condition. Major parts of a gearbox include various gears, bearings, and other structures. In particular, gears and bearings produce typical multi-harmonic signals, of which the frequencies depend on the rotating speed and the design characteristics of the elements. In this study, to monitor the condition of major elements of a gearbox, vibration signal sampled in time domain is measured and various order tracking methods are tested for clear separation of the component-wise signals. Experiment is conducted in a simulator gearbox, having a speed ratio of 1:50, to match the 5 kW wind turbine. Among various tested order tracking method tested for the gearbox condition monitoring. VFR-STFT is chosen because it provides most adequated resolution in frequency and time compared to other methods like STFT and Vold-Kalman filter. Two gear conditions are tested: healthy condition and mild faulty condition with a moderated wear in gear teeth. To monitor the signal form gear teeth, a reference signal at each RPM is first determined by using the confidence interval of the measured data in a healthy condition. Statistical processing of the test data reveals that the data probability follows the -distribution. Condition indicators, such as the frequency percentage of exceeding alarm level and the energy difference level are suggested for the diagnosis of the gearbox condition. Moderate wear condition is clearly detected by a continuous monitoring of the signal compared to the mean value at each RPM.
풍력기기 기어박스는 높은 발전량을 얻기 위해, 바람에 따라 변동되는 큰 회전력을 지닌 입력축 회전 속도를 높은 회전 속도로 변환하는 장치이다. 기어박스의 파손은 긴 시간 동안 풍력기기의 작동에 악영향을 미치기 때문에, 심각한 파손으로 진행되기 전 기어박스 주요 부품들의 상태를 진단해야 한다. 기어박스의 주요 부품들은 다양한 기어열과 베어링, 그리고 그 외 구조물로서 구성되어 있다. 특히, 기어와 베어링은 회전 속도에 따라 변동되는 주파수 성분을 지니며 다양한 조화 성분들의 신호를 제공한다. 본 연구에서는 기어박스의 주요 부품들에 대해 상태 진단을 수행하고자, 시간 영역에서의 진동 신호를 측정하여 주요 신호에 대해 정밀하게 분석하기 위해 차수 추적분석법을 적용하였다. 1:5의 증속비를 지니는 5 kW급 풍력기기 시뮬레이터 기어박스에 대해 실험하였다. 기어박스의 상태 진단을 수행하기 위해, 다양한 차수 추적법을 적용해보았으며, 그 결과 VFR-STFT를 적용한 차수 추적법이 STFT 및 Vold-kalman 차수 추적법을 적용한 결과에 비해 풍력기기 기어박스 해석에서 가장 적합한 시간과 주파수 해상도를 제공함을 알 수 있었다. 기어 이의 상태에 따라 정상 상태와 보통의 마모 상태에 대해 연구를 수행하였다. 기어박스의 기어 이에 대해 상태 감시를 수행하고자, 정상 상태에서의 분석된 차수 추적분석결과에서 각 RPM에 대해 신뢰도 구간을 정의하여 비-파손 상태의 기준 신호 값을 제시하였다. 각 RPM 정보에 대한 통계적 신호의 확률 밀도 값은 카이-제곱 분포를 따름을 확인하였다. 그리고, 기어박스의 고장 유무를 진단하기 위해, 본 연구에서는 제시된 알람 값의 초과 빈도를 나타내는 백분율과 에너지 차이 값의 상태지표들을 이용하였다. 각 RPM 정보에 대해 측정되는 평균값들에 대해 지속적으로 감시함으로써, 마모 상태에 대해 명확하게 진단함을 알 수 있었다.
