風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)齒輪箱故障預(yù)測(cè)研究

朱振海

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們逐漸意識(shí)到可持續(xù)發(fā)展的重要。隨著能源危機(jī)及環(huán)境惡化雙重壓力的影響，世界能源供應(yīng)戰(zhàn)略發(fā)生了重大變化，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，在許多國家能源戰(zhàn)略中起到重要的作用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與電能轉(zhuǎn)化的主要設(shè)備，其裝機(jī)容量逐年增加國發(fā)展更為迅猛，但同時(shí)也暴露出故障頻發(fā)、維護(hù)費(fèi)用昂貴等問題。，尤其在我齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，護(hù)費(fèi)用占總維護(hù)費(fèi)用的制約著風(fēng)電機(jī)組的工作狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計(jì)因齒輪箱故障引起維40%以上。本文就風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)齒輪箱故障預(yù)測(cè)展開探討。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)齒輪箱;統(tǒng)計(jì)過程控制;故障預(yù)測(cè)

引言

風(fēng)電機(jī)組中的齒輪箱是一動(dòng)力傳送部件，也是一高故障發(fā)生率部件，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障診斷的研究，對(duì)保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行具有重要意義。

1風(fēng)機(jī)齒輪箱故障預(yù)測(cè)難點(diǎn)及原理

（1）風(fēng)機(jī)齒輪箱故障預(yù)測(cè)難點(diǎn)。SCADA是風(fēng)場(chǎng)設(shè)備管理、監(jiān)測(cè)、和控制的重要系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)收集風(fēng)機(jī)運(yùn)行的環(huán)境參數(shù)、工況參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)實(shí)時(shí)了解風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，每天都產(chǎn)生大量的相關(guān)部件的數(shù)據(jù)，采樣頻率為10min/次，其中包括：風(fēng)速，有功功率，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、對(duì)風(fēng)角、風(fēng)機(jī)低速軸承溫度，風(fēng)機(jī)高速軸承溫度，齒輪箱冷卻水溫度，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度，風(fēng)機(jī)自由端軸承溫度，齒輪箱油溫度等眾多量化特征變量，特征變量之間是非線性，所以風(fēng)電機(jī)組參數(shù)眾多且復(fù)雜，屬于高維度、非線性系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)齒輪箱故障預(yù)測(cè)模型的特征變量的選取、回歸模型的選擇和預(yù)報(bào)警閾值的確定等是直接關(guān)系到預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，因此風(fēng)機(jī)齒輪箱故障預(yù)測(cè)研究的難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)一個(gè)有效的回歸預(yù)測(cè)模型來解決風(fēng)機(jī)齒輪箱高維度、非線性系統(tǒng)等故障預(yù)測(cè)問題。（2）風(fēng)機(jī)齒輪箱故障預(yù)測(cè)原理。針對(duì)上述難點(diǎn)問題，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)齒輪箱故障預(yù)測(cè)原理為：從風(fēng)機(jī)齒輪箱油溫度與風(fēng)機(jī)故障之間有著特定關(guān)系的角度出發(fā)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，首先篩選出能反映齒輪箱工作狀態(tài)的特征變量，然后對(duì)齒輪箱油溫度的正常狀態(tài)建立回歸模型，預(yù)測(cè)模型建立后便可預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)下一刻的齒輪箱油溫度，然后對(duì)比齒輪箱的實(shí)際值與模型的預(yù)測(cè)值之間的殘差，應(yīng)用殘差控制若發(fā)現(xiàn)殘差幅值長時(shí)間超過預(yù)警范圍且越過報(bào)警線，則認(rèn)為齒輪箱出現(xiàn)異常狀態(tài)，出現(xiàn)故障，達(dá)到故障預(yù)測(cè)的效果。

2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)齒輪箱故障預(yù)測(cè)

2.1振動(dòng)監(jiān)測(cè)

風(fēng)機(jī)齒輪箱本質(zhì)上就是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，其狀態(tài)的劣化是一個(gè)漸變的過程，其一旦發(fā)生異常，都會(huì)隨之出現(xiàn)振動(dòng)加大并引起工作狀況的變化，如效率降低、磨損加劇等，繼而又進(jìn)一步加劇了振動(dòng)，造成惡性循環(huán)，直至齒輪箱故障或損壞。振動(dòng)監(jiān)測(cè)的實(shí)施方案有連續(xù)監(jiān)測(cè)（也稱在線監(jiān)測(cè)）、定期監(jiān)測(cè)和故障監(jiān)測(cè)，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素的限制，目前較為常用的是后兩種方案。振動(dòng)監(jiān)測(cè)優(yōu)于其它狀態(tài)量監(jiān)測(cè)的原因在于：（1）對(duì)于機(jī)械設(shè)備，振動(dòng)是普遍存在的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%以上的機(jī)械故障都是通過機(jī)械振動(dòng)反映出來的;（2）振動(dòng)信號(hào)的采集回路與風(fēng)電機(jī)組的電氣回路（電壓、電流等）無直接聯(lián)系，不影響其正常工作。振動(dòng)監(jiān)測(cè)不用停機(jī)和拆解，即可判斷齒輪箱內(nèi)部的狀態(tài);（3）分析振動(dòng)信號(hào)的理論和方法都比較成熟。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，處于變風(fēng)速、變風(fēng)向的條件下，在多種不平衡力的作用下，總會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，在分析振動(dòng)信號(hào)時(shí)，需要去除這部分振動(dòng)的干擾，下一章將對(duì)振動(dòng)信號(hào)的去噪理論進(jìn)行論述。

2.2齒輪箱SCADA監(jiān)測(cè)變量分析

SCADA系統(tǒng)是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件齒輪箱的監(jiān)測(cè)主要從溫度、壓力和振動(dòng)3個(gè)方面進(jìn)行。（1）溫度監(jiān)測(cè)。SCADA系統(tǒng)對(duì)齒輪箱的溫度監(jiān)測(cè)變量主要有：齒輪箱油溫、齒輪箱前軸溫度、齒輪箱后軸溫度和齒輪油入口溫度等監(jiān)測(cè)參數(shù)。齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪與發(fā)電機(jī)之間的橋梁，作用是將葉輪的低轉(zhuǎn)速，通過齒輪箱內(nèi)部行星齒輪運(yùn)行，轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)需要的高轉(zhuǎn)速。而齒輪箱是機(jī)械藕合部件，在齒輪箱運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱量，而齒輪箱內(nèi)部的潤滑油不僅起到機(jī)械潤滑、減小摩擦的作用，且能夠帶走摩擦熱量，使齒輪箱溫度處于一定的波動(dòng)范圍。當(dāng)齒輪箱部件出現(xiàn)故障，如齒輪磨損、內(nèi)圈剝落、軸不對(duì)中等故障，這將產(chǎn)生多余的故障摩擦熱量，而齒輪箱冷卻系統(tǒng)無法帶走這部分多余的熱量，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)致齒輪箱溫度升高，因此對(duì)于這些參量的監(jiān)測(cè)，能夠有效的監(jiān)測(cè)到齒輪箱故障的發(fā)生。（2）壓力監(jiān)測(cè)。SCADA系統(tǒng)對(duì)齒輪箱壓力監(jiān)測(cè)變量主要有：齒輪油泵壓力、齒輪油入口壓力等監(jiān)測(cè)參數(shù)。齒輪箱油泵的作用是通過油液對(duì)齒輪箱內(nèi)部部件進(jìn)行潤滑，同時(shí)帶走齒輪箱內(nèi)部部件摩擦產(chǎn)生的熱量，因此對(duì)齒輪箱油泵壓力的監(jiān)測(cè)時(shí)為了更好的保障齒輪箱的正常工作狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測(cè)壓力大于預(yù)警范圍，最常見的故障就是輸油管道阻塞，而產(chǎn)生此類故障的主因是齒輪箱內(nèi)部部件運(yùn)行過程中，機(jī)械設(shè)備疲勞損傷或非正常摩擦產(chǎn)生大量碎屑造成的。當(dāng)監(jiān)測(cè)壓力小于預(yù)警范圍時(shí)，最常見的故障是油液泄露，齒輪箱內(nèi)部部件潤滑不足，加大內(nèi)部部件之間摩擦阻力，增加摩擦產(chǎn)生的熱量，同時(shí)由于油液泄露導(dǎo)致油液循環(huán)帶走的齒輪箱內(nèi)部部件摩擦產(chǎn)生的熱量減少，進(jìn)一步加快齒輪箱內(nèi)部溫度的升高。（3）振動(dòng)監(jiān)測(cè)。SCADA系統(tǒng)對(duì)齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測(cè)變量主要有：齒輪箱X方向振動(dòng)、齒輪箱Y方向振動(dòng)等監(jiān)測(cè)參量。齒輪箱內(nèi)部若出現(xiàn)的異常情況，的現(xiàn)象，導(dǎo)致的。在零部件及設(shè)備表面就可感受到設(shè)備的振動(dòng)，隨后就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)的加大這是振動(dòng)源在設(shè)備內(nèi)傳播SCADA系統(tǒng)同是監(jiān)測(cè)齒輪箱X方向與Y方向振動(dòng)，能夠?qū)φ駝?dòng)源進(jìn)行精確的定位，便于設(shè)備故障的快速檢測(cè)與維護(hù)。

2.3基于小波變換的降噪預(yù)處理

在風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的故障診斷中，齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)含有大量的噪聲，從混有噪聲的振動(dòng)信號(hào)中提取有效的特征信息是故障診斷的重要內(nèi)容，而提取故障特征前對(duì)含噪的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理是必須的。降噪方法的選擇直接關(guān)系到故障特征提取的準(zhǔn)確性與有效性。目前有許多降噪算法，如傳統(tǒng)的濾波降噪法及現(xiàn)在新興的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法等等。但傳統(tǒng)的濾波降噪法僅在時(shí)域或頻域分析，無法表述信號(hào)的時(shí)域局部性質(zhì)，而新興的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，算法比較復(fù)雜，計(jì)算量太大。小波變換是一種信號(hào)的時(shí)頻分析方法，它作為一種全新的數(shù)學(xué)工具，以其分析處理非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)獨(dú)有的優(yōu)越性，己經(jīng)在很多領(lǐng)域里獲得了廣泛的運(yùn)用。小波變換具有多分辨多分析的特點(diǎn)，在時(shí)一間和頻率兩個(gè)領(lǐng)域都有表征信號(hào)局部特征的能力，是一種窗口大小固定不變但形狀可以改變的時(shí)一頻局部分析方法，它可以把振動(dòng)信號(hào)的特性信息分配到不同尺度相對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)上。利用小波技術(shù)降噪是小波分析應(yīng)用于工程實(shí)際的一個(gè)重要方面。

結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組中的齒輪箱是一個(gè)動(dòng)力傳送部件，同時(shí)也是一個(gè)高故障發(fā)生率部件，因此開展對(duì)其故障診斷的研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其故障并進(jìn)行維修，對(duì)保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行具有十分突出的實(shí)際意義與經(jīng)濟(jì)意義。然而，在風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障診斷的研究中，最關(guān)鍵、最重要同時(shí)也是最困難的問題便是對(duì)其故障振動(dòng)信號(hào)特征信息的提取。從某種意義上來講，風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障特征的提取直接影響了風(fēng)機(jī)齒輪箱故障診斷的準(zhǔn)確性、有效性以及故障早期預(yù)警的可靠性。因此，對(duì)齒輪箱故障特征提取技術(shù)的研究及改進(jìn)是一項(xiàng)十分必要且重要的課題。

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