風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸對中監(jiān)測系統(tǒng)及修正方法研究

胡繹銘，殷寶祥，于雪峰

（國華（齊齊哈爾）風(fēng)電有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

1 概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為大型機(jī)械設(shè)備，通常置于距地面幾十米的高空中，受風(fēng)力與自身振動的影響，發(fā)電機(jī)軸與齒輪箱高速軸難以保持對中狀態(tài)的穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)電機(jī)軸與齒輪箱軸之間出現(xiàn)軸不對中時(shí)，工作人員難以第一時(shí)間獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)信息，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在此狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行后導(dǎo)致聯(lián)軸器或高速軸軸承的損壞。當(dāng)工作人員發(fā)現(xiàn)故障后，需要攀爬至幾十米的設(shè)備上進(jìn)行維修，這大大增加了維修的難度與時(shí)間。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸的不對中狀態(tài)情況，并進(jìn)行修正對保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，降低維修的成本，延長發(fā)電機(jī)的使用壽命具有重要的意義。

結(jié)合現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷研究進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)故障共存在三種，分別為葉片故障、齒輪箱故障以及電機(jī)系統(tǒng)的故障。這些故障都直接影響了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此，為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸不對中作為齒輪箱故障的一種，其主要是由于發(fā)電機(jī)軸與齒輪箱高速軸在風(fēng)力作用與自身振動作用下產(chǎn)生偏移引起的不對中。針對該種故障存在三種監(jiān)測手段。一是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率、溫度等參數(shù)，根據(jù)參數(shù)是否超過安全閾值進(jìn)而判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，二是通過對比風(fēng)機(jī)正常模式和故障模式下的重要參數(shù)數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)計(jì)算的方法，得到故障發(fā)生的概率；三是以人工智能和大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過智能診斷的手段分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而預(yù)防故障的發(fā)生。

通過分析，方法一不適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸對中狀態(tài)的監(jiān)測，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸故障是一個(gè)不可逆過程，即當(dāng)參數(shù)超過安全閾值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組軸發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的偏移，需要更換零件進(jìn)行維修，使得維修成本大大提高，因此，本文擬采取方法二與方法三相結(jié)合的手段。

聶永發(fā)等設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸對中狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過監(jiān)測電機(jī)軸和齒輪箱高速軸軸線的方式直接監(jiān)測對中狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測到兩軸線偏差超過安全閾值時(shí)，需要對發(fā)電機(jī)軸線位置進(jìn)行修正。常用修正方法是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)支撐底座的高度和位置。該支撐底座有四個(gè)，分別位于發(fā)電機(jī)安裝座的四角。由于傳感器監(jiān)測的是電機(jī)軸和齒輪箱高速軸軸線，而調(diào)節(jié)的是四個(gè)支撐底座，使得調(diào)節(jié)量和監(jiān)測量不一致，又由于四個(gè)支撐底座的高度和位置存在多種組合形式，所以需要工作人員現(xiàn)場試調(diào)，對工作人員的經(jīng)驗(yàn)依賴性較高，調(diào)節(jié)過程較為煩瑣。

本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸對中狀態(tài)間接監(jiān)測系統(tǒng)，并基于該監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種軸對中修正方法。本文利用12個(gè)激光測距傳感器來監(jiān)測發(fā)電機(jī)底座，并通過計(jì)算得到發(fā)電機(jī)的軸線位移，進(jìn)而間接監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸對中狀態(tài)。監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)軸不對中情況時(shí)會發(fā)出警報(bào)，操作人員通過監(jiān)測系統(tǒng)記錄下來的發(fā)電機(jī)初始位置數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的四個(gè)支撐座到初始位置，使發(fā)電機(jī)軸重新恢復(fù)對中狀態(tài)。由于傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)本質(zhì)上為四個(gè)支撐底座的高度和位置，而調(diào)節(jié)的也是四個(gè)支撐底座的高度和位置，所以，調(diào)節(jié)量和監(jiān)測量一致，對中修正方便。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸對中狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

本文風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸對中狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)過程及工作原理如下。

為了方便操作人員更好地了解發(fā)電機(jī)軸的對中狀態(tài)，以發(fā)電機(jī)底座平面作為XY平面，以發(fā)電機(jī)前端面所在平面為YZ平面，以過發(fā)電機(jī)軸線的垂直平面作為XZ平面，建立發(fā)電機(jī)軸狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)坐標(biāo)系，如圖1所示。Z向監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖如圖2所示，在發(fā)電機(jī)四個(gè)支撐座的內(nèi)側(cè)分別安裝Ⅰ號激光測距傳感器，Ⅱ號激光測距傳感器，Ⅲ號激光測距傳感器，Ⅳ號激光測距傳感器，Ⅰ-Ⅳ號激光測距傳感器可以監(jiān)測發(fā)電機(jī)在Z軸方向的高度位置數(shù)據(jù)。

Y向監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖如圖3所示，將Ⅴ號激光測距傳感器、Ⅵ號激光測距傳感器、Ⅶ號激光測距傳感器、Ⅷ號激光測距傳感器分別安裝在對應(yīng)的傳感器支架上，再將傳感器支架安裝在基座上，Ⅴ-Ⅷ號激光測距傳感器可以監(jiān)測發(fā)電機(jī)在Y軸方向的橫向位置數(shù)據(jù)。

X向監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖如圖4所示，將Ⅸ-Ⅻ號激光測距傳感器分別安裝在對應(yīng)的傳感器支架上，再將傳感器支架安裝在基座上，Ⅸ-Ⅻ號激光測距傳感器可以監(jiān)測發(fā)電機(jī)在X軸方向的縱向位置數(shù)據(jù)。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)坐標(biāo)系示意圖

圖2 Z向監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖

圖3 Y向監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖（俯視圖）

用圖3和圖4所示Ⅴ-Ⅻ號激光測距傳感器來分別監(jiān)測圖5所示的發(fā)電機(jī)底座的A、B、C、D點(diǎn)。將發(fā)電機(jī)軸的軸線分別投影到XY平面和XZ平面。以XY平面為例，如圖6所示，當(dāng)前發(fā)電機(jī)軸線的位置與初始軸線的位置發(fā)生了偏差，同時(shí)，存在平行不對中偏差?YM和角度不對中偏差?θ。

Ⅴ號激光測距傳感器和Ⅸ號激光測距傳感器可以分別測得A點(diǎn)的Y軸方向的偏移值?y1和X軸方向的偏移值?x1；Ⅵ號激光測距傳感器和Ⅹ號激光測距傳感器可以分別測得B點(diǎn)的Y軸方向偏移值?y2和X軸方向偏移值?x2；Ⅶ號激光測距傳感器和Ⅺ號激光測距傳感器可以分別測得C點(diǎn)Y軸方向的偏移值?y3和X軸方向的偏移值?x3；Ⅷ號激光測距傳感器和Ⅻ號激光測距傳感器可以分別測得D點(diǎn)的Y軸方向的偏移值?y4和X軸方向的偏移值?x4。其中，發(fā)電機(jī)底座的A、B、C、D在XY平面的初始坐標(biāo)分別為當(dāng)發(fā)電機(jī)因各種因素導(dǎo)致自身位置發(fā)生變化，此時(shí)A、B、C、D在XY平面的坐標(biāo)分別為

圖4 X向監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖

圖5 監(jiān)測點(diǎn)示意圖（仰視圖）

圖6 發(fā)電機(jī)軸線在XY平面投影

設(shè)E為A、D兩點(diǎn)連線的中點(diǎn)，F(xiàn)為B、C兩點(diǎn)連線的中點(diǎn)。則，XY平面內(nèi)，E點(diǎn)初始坐標(biāo)為F點(diǎn)初

如圖7所示，當(dāng)?YE和?YF大小相等，方向相反時(shí)，發(fā)電機(jī)軸為角度不對中，發(fā)電機(jī)軸實(shí)時(shí)軸線位置與初始軸線位置的夾角為

圖7 角度不對中示意圖

如圖8所示，當(dāng)?YE和?YF大小相等，方向相同時(shí)，發(fā)電機(jī)軸為平移不對中，發(fā)電機(jī)軸實(shí)時(shí)軸線位置與初始軸線位置的平行偏移量為

圖8 平移不對中示意圖

同理可得，軸線投影到XZ平面時(shí)發(fā)電機(jī)軸平移不對中偏差和角度不對中偏差的大小。通過傳感器監(jiān)測發(fā)電機(jī)底座的A、B、C、D點(diǎn)，計(jì)算得到上述參數(shù)，獲取風(fēng)電機(jī)組軸對中狀態(tài)信息。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)對中狀態(tài)修正方法

目前，發(fā)電機(jī)組軸對中方法主要有直尺塞尺法、百分表法以及激光對中法，但這三種方法均需要操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對中，難以回到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組初始狀態(tài)，且操作復(fù)雜，速度較慢，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)工作效率。

本文提出一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸對中狀態(tài)修正方法，通過采集初始狀態(tài)下的位置數(shù)據(jù)作為參考，通過調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)支撐底座的位置與高度，使各傳感器數(shù)值回到初始狀態(tài)值，此時(shí)，即為完成對中狀態(tài)的修正。具體修正過程如下：

如圖9所示，在發(fā)電機(jī)安裝座的四個(gè)固定點(diǎn)各設(shè)置三個(gè)激光測距傳感器，分別測量該固定點(diǎn)的橫向、縱向、高度位置。工作人員在連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸與齒輪箱高速軸時(shí)，首先，根據(jù)常規(guī)方法進(jìn)行對中，對中完成后，安裝聯(lián)軸器。傳感器測得發(fā)電機(jī)此時(shí)的位置數(shù)據(jù)并保存，作為發(fā)電機(jī)初始位置數(shù)據(jù)，下位機(jī)將初始數(shù)據(jù)發(fā)送至地面上的上位機(jī)，作為基準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)。在發(fā)電機(jī)工作過程中，12個(gè)傳感器實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)矩形安裝座四個(gè)固定點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，得到的偏差值顯示在上位機(jī)界面。操作人員在上位機(jī)上可以查看數(shù)據(jù)的偏差值，并根據(jù)偏差是否在安全閾值內(nèi)，判別發(fā)電機(jī)軸與齒輪箱高速軸的對中情況。

當(dāng)發(fā)電機(jī)軸與齒輪箱高速軸之間的對中誤差超過安全閾值時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，操作人員停止發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，并對發(fā)電機(jī)組軸進(jìn)行重新對中。工作人員根據(jù)傳感器當(dāng)前測得的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)支撐底座的高度和位置，最終使得傳感器當(dāng)前測得的數(shù)據(jù)與初始位置數(shù)據(jù)相一致，從而完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸的對中修正。

圖9 風(fēng)電機(jī)軸對中修正方法流程圖

4 結(jié)語

本文提出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸對中狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以使工作人員在上位機(jī)容易獲得發(fā)電機(jī)軸實(shí)時(shí)對中狀態(tài)情況，免去了工作人員爬高近百米進(jìn)行檢修，同時(shí)，可以避免工作人員檢修滯后性帶來的對設(shè)備造成的損傷，增加了設(shè)備的使用壽命，節(jié)約對中修正時(shí)間，保證了發(fā)電機(jī)的工作效率。

本文提出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸對中狀態(tài)修正方法，對工作人員的經(jīng)驗(yàn)依賴性小，調(diào)節(jié)過程更為簡單，對提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率和簡化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維修具有重要意義。