風機葉片故障預測的振動方法探究

段成憲

摘 要：風能是現階段應用較多的清潔能源，具有安全、可再生等特點，風力發(fā)電機是風電轉換的重要設備，但風機運行過程中受到慣性力、空氣動力等因素的影響，可能會出現各種故障，因此，通過風機葉片的故障預測分析風機的運行狀況十分的重要，文章就風機葉片的故障預測振動方法進行簡單的討論研究。

關鍵詞：風機葉片；故障預測；檢測原理；風機故障預測系統(tǒng)

風機振動很容易導致風機出現故障，有關統(tǒng)計分析表明，風機運行過程中，由于振動導致的風機故障是各類故障中比例最高的一種，實際的故障預測之中，風力發(fā)電機的振動檢測就十分有必要，文章構建一種風機葉片振動檢測網絡模型，開發(fā)一套新的振動監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測風機葉片的早期故障，希望能夠盡可能避免風機故障。

1 檢測原理

風機設備出現故障之后，故障信息主要通過風力發(fā)電機的振動信號傳遞出來，系統(tǒng)運行過程中，利用對應的設備檢測振動信號，分析信號中攜帶的數據信息，能夠評估及預測設備的健康狀況，風力發(fā)電廠故障預測及設備維修的重要依據就是風機的實時運行狀況。風機葉片的加速度利用加速度傳感器即可測量，該參數可以反映風機葉片振動的劇烈程度，速度的大小通過微積分可以得出，風機葉片振動的快慢通過速度反映，繼續(xù)對速度進行積分可以得到風機葉片的振動位移，進而得出葉片的振動幅度。以此為基礎可以構建一個基于三軸加速度傳感器網絡檢測振動信息的故障預測模型，如圖1所示：

圖中A、B、C分別表示的是風機的三個葉片，，每個葉片上均勻的配置有5個加速度傳感器，分別標號1～5，能夠檢測出葉片上不同位置上的點三維方向上的加速度值，利用該模型能夠分解、變換、提取加速度信號，得出每個葉片在工作時的空間振動模態(tài)，同時也能夠用來對比三個葉片相同位置上的物理量，分析整個風機葉片系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。在這個過程中，基于數字信號處理器的風機故障預測系統(tǒng)的設計十分的重要。

2 風機故障預測系統(tǒng)的設計方法

2.1 系統(tǒng)硬件部分的設計

（1）傳感器模塊。傳感器模塊中三軸加速度傳感器的選擇十分重要，實際的設計選擇過程中要保證該傳感器能夠準確的測出x、y、z三軸方向的振動加速度值。Freescale公司的MMA7260Q三軸加速度傳感器能夠較好的實現這一目的，本次設計中選用這一型號的傳感器，風機塔架的振動信號選擇的是低頻信號，利用外部電容可以限定傳感器的輸出寬帶，進而實現降低噪音，提高分辨率的目的。實際的測量工作中，振動帶寬、噪聲以及噪聲峰值分別為10Hz、1.9mg、1.2g。

（2）CPU模塊。實際的測量分析過程中，需要實現15路加速度傳感器模擬了的高精度A/D轉換，對CPU模塊的要求比較高，因此選用內置有12位A/D的TMS320F2812 處理器芯片，該CPU具有強大的數據處理功能，運行的速度較高，能夠滿足實際的應用需求。但由于實際的采樣過程中，采樣信號中雜波較多，為了保證數據處理結果的精確度，需要對振動信號進行IIR數據處理。

（3）信號調理模塊。低通濾波單元是模擬信號處理通道的關鍵部分，對提取的特征頻段信號的質量有著較大的影響，具體的設計工作中，濾波器的階數應設計的相對高一些，確保阻帶衰減率較高，因此本次設計中選擇了8階的低通巴特沃茲濾波器，該濾波器的通帶響應教平，可以用于對信號進行抗混疊濾波處理。

（4）存儲器模塊。系統(tǒng)使用過程中需要及時的保存故障發(fā)生時系統(tǒng)的各種重要的參數信息，比如風機葉片振動的頻率、幅度、傳感器的編號等等，為工作人員的故障分析、評估、查詢等打好基礎，因此傳感器模塊的設計十分的重要，本次設計工作中選擇FM24C16 存儲芯片，通過I2C方式方式將芯片與TMS320F2812連接起來。

（5）電源模塊。本次系統(tǒng)設計中，選擇的電源為24V直流電源?？刂菩酒枰獑为毨?.3v直流電源進行供電，該3.3v直流電源通過開關穩(wěn)壓器件能夠獲得，信號調理電路中運算放大器采用 5V電源進行供電，電源通過兩個線性穩(wěn)壓器件可以分別獲得。

（6）通信模塊。通信模塊主要負責監(jiān)控中心與檢測網絡之間的正常通信，實際的設計工作中，通信電路可以選用 TI 公司接口芯片75LBC184進行設計，波特率設計為19200bit/s，能夠保證系統(tǒng)的通信功能良好，可以滿足實際的通信需要。

（7）繼電器驅動電路。如果系統(tǒng)使用時檢測到風機的轉速及振動幅度超過了報警閾值，為了保證風機的安全性，需要及時通過繼電器將風機與供電網絡斷開，切斷供電回路，避免高頻諧波滲入到電網系統(tǒng)中，因此繼電器的選擇十分重要，本次設計工作中選用的是歐姆龍公司的G6B型繼電器，實際的使用過程中，線圈正常通電時，繼電器閉合，反之，繼電器斷開。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分的設計流程如圖2所示，程序存儲器的參數初始值設置對于整個系統(tǒng)有著重要的意義，具體來說需要進行初始值設置的參數主要有濾波器類型選擇、帶通濾波器的高低通截止頻率等幾個，這一部分工作主要通過軟件部分完成。實際的運行過程中，即使系統(tǒng)掉電，這些參數信息也不能丟失，并要保證系統(tǒng)再次啟動之后，這些數據信息會自動恢復為之前設定的數值。因此，軟件程序設計時需要將這些數據細信息保存在CPU處理器內置的E2PROM之中。此外，軟件編寫時需要重點關注系統(tǒng)通信方式規(guī)約、模擬及數字信號的采集標定等問題，從各個方面保證整個軟件部分的可靠性、安全性、高效性。

設計完成之后可以選擇一個風機對該故障預測系統(tǒng)的應用效果進行檢驗，實踐檢驗表明，該系統(tǒng)能夠較好的檢測及監(jiān)控風力發(fā)電機的振動信號，且系統(tǒng)運行時比較穩(wěn)定，可以應用于風機的故障預測工作之中。

3 結束語

本次研究中基于三軸加速度傳感器網絡模型設計了一個風機故障預測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要作用是監(jiān)測風機葉片的振動情況，利用該系統(tǒng)能夠提取分析出風機葉片發(fā)生機械振動時低頻域對風機破壞性最大的特征，在此基礎上，對傳統(tǒng)的軸承振動檢測的方法進行了改進，應用效果較好。

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