基于機(jī)器視覺的風(fēng)機(jī)葉片檢測裝置設(shè)計(jì)方向

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摘要：可再生能源的開發(fā)與應(yīng)用，風(fēng)能以其資源豐富、分布廣泛以及對環(huán)境影響小等特點(diǎn)，在未來一段時(shí)間內(nèi)必然成為世界主要的能源開發(fā)方式，各國對風(fēng)能資源的開發(fā)利用也將成為今后的重點(diǎn)。葉片作為風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，在惡劣的自然環(huán)境中很容易發(fā)生損傷。損壞后的葉片將對風(fēng)電場造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，也對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行構(gòu)成了很大的威脅。因此對風(fēng)機(jī)葉片損傷的檢測開發(fā)合理的檢測裝置是尤為重要。但目前，各風(fēng)電企業(yè)對葉片的實(shí)時(shí)檢測裝置設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展不成熟，仍處于裝配前的檢測裝置設(shè)計(jì)。文章從風(fēng)機(jī)葉片檢測裝置的設(shè)計(jì)需求入手，在分析風(fēng)機(jī)葉片檢測裝置的發(fā)展現(xiàn)狀及潛力基礎(chǔ)上，對風(fēng)機(jī)葉片檢測裝置的設(shè)計(jì)方向與發(fā)展趨勢進(jìn)行闡述，希望對以后風(fēng)機(jī)葉片檢測裝置的發(fā)展提供一些有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片；檢測裝置；設(shè)計(jì)方向；發(fā)展趨勢

根據(jù)對目前所有的能源分析，風(fēng)能在所有能源開發(fā)領(lǐng)域，都屬于清潔無污染類型，符合未來的能源開發(fā)方向。因?yàn)轱L(fēng)能開發(fā)利用所具有的種種特點(diǎn)，因此被世界各國廣泛關(guān)注。在所有的風(fēng)能開發(fā)利用過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片構(gòu)成了全部工作的重中之重，風(fēng)力開發(fā)的主要原理是通過高空風(fēng)力作業(yè)，來帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過能源轉(zhuǎn)換裝置，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，整個(gè)工作流程不產(chǎn)生對環(huán)境的污染，而其能否順利完成風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，主要取決于風(fēng)機(jī)葉片。且隨著機(jī)組容量增大，葉片長度增加，與地面距離變大，發(fā)生損傷的概率變大。對風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和損傷識別研究受到越來越多的學(xué)者關(guān)注，因此配合風(fēng)機(jī)葉片檢測的裝置設(shè)計(jì)也有了更多的設(shè)計(jì)方向。

一、葉片檢測的重要意義

葉片作為整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要裝備，對風(fēng)機(jī)能否正常工作，風(fēng)能是否可以順利轉(zhuǎn)化為機(jī)械能產(chǎn)生了決定性作用，因此風(fēng)機(jī)葉片的檢測工作具有十分重要的意義。從成本角度進(jìn)行考量，風(fēng)機(jī)葉片也成為了檢測工作的重點(diǎn)內(nèi)容，風(fēng)機(jī)葉片占據(jù)了整個(gè)裝置的很大一部分成本，根據(jù)我國大多數(shù)風(fēng)力設(shè)備生產(chǎn)機(jī)構(gòu)提供的資料進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)風(fēng)力設(shè)備，其葉片成本至少占據(jù)了所有成本的1/5。而風(fēng)機(jī)作業(yè)需要面臨環(huán)境多樣，其中不乏極其惡劣的氣候條件，例如，在風(fēng)沙較大的地區(qū)，葉片受損程度遠(yuǎn)比平常地區(qū)要嚴(yán)重得多，出現(xiàn)故障的情況也比較頻發(fā)。及時(shí)檢測葉片工作狀態(tài)有利于防止出現(xiàn)較大的故障，在葉片出現(xiàn)問題的情況下，可以進(jìn)行有效的維護(hù)，以幫助整個(gè)機(jī)組的有效工作。

根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)備的限制條件，其裝機(jī)容量與風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)故障之間存在正連接，也就是說，風(fēng)機(jī)設(shè)備裝機(jī)容量越大，葉片也就需要更大的工作面積，由此帶來的葉片故障可能出現(xiàn)的頻率也隨之增加。英國凱斯內(nèi)斯風(fēng)電場信息論壇統(tǒng)計(jì)出大量的風(fēng)機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)， 因葉片故障未曾及時(shí)維護(hù)，導(dǎo)致出現(xiàn)整體機(jī)組無法繼續(xù)工作，引起機(jī)組其他關(guān)聯(lián)設(shè)備隨之損壞的情況越發(fā)頻繁。如圖1所示。

從圖1中數(shù)據(jù)可以了解到，葉片故障的發(fā)生頻率越發(fā)頻繁，這往往是由于風(fēng)力發(fā)電越來越成為趨勢，而技術(shù)革新方面相對處于滯后狀態(tài)，無法適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，再加上相關(guān)人員的維護(hù)不力，對維護(hù)知識體系的學(xué)習(xí)接受依舊存在問題，等一系列原因?qū)е碌?。從大量的風(fēng)機(jī)葉片損壞事件中可以看出，加強(qiáng)對設(shè)備的維護(hù)工作必然在今后成為風(fēng)力發(fā)電工作的重要內(nèi)容。而由于現(xiàn)階段依舊缺乏相關(guān)完善的檢測設(shè)備，人工檢測依舊成為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備故障檢測中的重要組成部分。

二、現(xiàn)階段檢測裝置的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及困境

（一）檢測裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

最早的無損檢測技術(shù)——人工目視檢測始于20世紀(jì)中期，主要依靠工作人員憑借肉眼觀察結(jié)構(gòu)體表面裂紋。由于受到人眼分辨力的限制，長時(shí)間觀測過程中人眼會(huì)因結(jié)構(gòu)體表面照度、顏色和光照環(huán)境的影響產(chǎn)生視覺疲勞以及空間分辨率降低，從而產(chǎn)生遺漏裂紋等錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象。同時(shí)，由于工作人員的檢測評判標(biāo)準(zhǔn)和主觀經(jīng)驗(yàn)不一致，很難形成統(tǒng)一客觀的評判標(biāo)準(zhǔn)。隨后為了提高檢測效率，從而運(yùn)用了高靈敏度檢測器件，檢測速度相對較快。當(dāng)前傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的學(xué)科范疇雖然涉及到社會(huì)生產(chǎn)與生活的各個(gè)領(lǐng)域與針對各種研究對象，并且各種檢測方法都在適用范圍或領(lǐng)域內(nèi)具備自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但是絕大多數(shù)檢測方法的實(shí)現(xiàn)還是停留在需要滿足相應(yīng)條件的前提下進(jìn)行的人為操作或依靠高靈敏度檢測器件輔助完成。

當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的材質(zhì)已經(jīng)由傳統(tǒng)材質(zhì)逐步向增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)展，特別是在大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，新型玻璃鋼材料已經(jīng)逐漸成為主要的葉片材質(zhì)。所以，對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片內(nèi)部裂縫和殘缺的檢測我們通常使用微波探傷技術(shù)。通常采用微波測距和超聲波探測兩種測量技術(shù)，這兩種測距方式都是屬于非接觸式的測量技術(shù)。但是，在檢測裝置中采用超聲波探測儀更加方便快捷。在對葉片翼型上下兩個(gè)表面進(jìn)行檢測時(shí)，裝置在設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)采用至少 6 對以上的超聲波探測探頭，以確保能夠達(dá)到更加精確的測量結(jié)果。超聲波探測技術(shù)利用物體內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)會(huì)自動(dòng)發(fā)出瞬態(tài)彈性聲波的原理實(shí)時(shí)監(jiān)測物體缺陷?？梢詫o線電波、光波等無法穿過的物體進(jìn)行穿透，同時(shí)也可以在具有不同抗性的兩種物質(zhì)交界面上進(jìn)行反射。

（二）檢測裝置的發(fā)展困境

目前針對葉片的檢測主要設(shè)備安裝之前，在設(shè)備安裝完成之后，往往由于風(fēng)機(jī)葉片工作環(huán)境處于高空，且工作環(huán)境十分惡劣，因而對設(shè)備的檢測工作往往十分滯后。一旦發(fā)生故障，引起風(fēng)機(jī)葉片整體脫落或者部分脫落，都會(huì)對其他設(shè)備造成危害，而造成的經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的?，F(xiàn)階段，由于缺乏完善的檢測設(shè)備，需要定期的進(jìn)行人工檢測，因此，對檢測人員的理論培訓(xùn)就顯得十分重要。盡管從大量的風(fēng)機(jī)故障事件中，業(yè)界已經(jīng)遭受了沉重的代價(jià)，越來越認(rèn)識到加強(qiáng)設(shè)備檢測的重要性，但是尚未形成完整的檢測體系，造成檢測工作的相對滯后。由于以上原因，風(fēng)機(jī)設(shè)備的檢測工作十分困難，在排除了檢測工作十分困難的情況下，設(shè)備的維護(hù)工作也顯得十分重要，及時(shí)地排除微小故障，有利于最大化的發(fā)揮風(fēng)機(jī)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益，減少維護(hù)工作的成本以及時(shí)間。

而且發(fā)電機(jī)的葉片截面、翼型的弦長、厚度等都是變化的，為了能夠精準(zhǔn)測量，爬升裝置的整體框架應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成為大小可以靈活變動(dòng)的，這樣當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片截面發(fā)生變化時(shí)，爬升裝置能夠隨之發(fā)生變化，以此來確保裝置能夠更加接近風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，而葉片檢測探頭能夠更加貼近葉片表面進(jìn)行檢測，以便能夠更加清晰的觀察葉片表面的情況，從而更好地判斷葉片的情況。

因此面對現(xiàn)在檢測裝置的發(fā)展困境，我們需要根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)探索出風(fēng)機(jī)葉片檢測裝置設(shè)計(jì)的新方向。

三、基于機(jī)器視覺的風(fēng)機(jī)葉片檢測裝置設(shè)計(jì)方向

科學(xué)的檢測體系有利于促進(jìn)維護(hù)工作的進(jìn)展，避免出現(xiàn)重大事故，最大化的發(fā)揮風(fēng)機(jī)設(shè)備的價(jià)值?；跀?shù)字圖像處理和目標(biāo)識別對風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行檢測，將成為今后檢測工作的重要研究內(nèi)容，因其可以最大化的節(jié)約人工成本，減少物資消耗而成為風(fēng)電設(shè)備檢測的重要方法。因此對于葉片的合理檢測裝置是保障機(jī)組安全可靠運(yùn)行的重要手段。但目前大部分對風(fēng)機(jī)葉片的檢測裝置設(shè)計(jì)方向研究都只在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，要用于實(shí)際的現(xiàn)場風(fēng)機(jī)葉片檢測裝置，還有許多技術(shù)問題需要克服。

通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在出廠時(shí)都是經(jīng)過合格檢測的，后續(xù)運(yùn)行和使用中出現(xiàn)的問題大部分都是從葉片表面比較細(xì)微的裂紋開始的，所以檢測裝置在對運(yùn)行狀態(tài)下的葉片進(jìn)行檢測時(shí)，主要就是針對葉片表面是否存在細(xì)微的裂紋。因此在對檢測裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮針對該方向進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以考慮在裝置上安裝高清攝像頭，用于對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面細(xì)紋裂紋的檢測和發(fā)現(xiàn)，特別是對于葉片的葉尖和前緣部分，更是裂紋檢測的重點(diǎn)部位。根據(jù)此提出基于機(jī)器視覺的風(fēng)機(jī)葉片檢測裝置的設(shè)計(jì)方向。該檢測裝置的設(shè)計(jì)方向在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)葉片表面存在裂紋后，就可以根據(jù)裂紋的表象來判斷葉片裂紋是否具有嚴(yán)重的危害，以便能夠及時(shí)對葉片表面裂紋進(jìn)行修復(fù)，以防止更加嚴(yán)重的事故發(fā)生，從而影響風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的正常工作，并造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電發(fā)展速度較快，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量更是與日俱增，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障的概率也同等增加。因此，加強(qiáng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片檢測裝置的研究具有重要的意義，有利于減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片故障，降低經(jīng)濟(jì)損失。

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（作者單位：昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）