風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

吉慶昌 陰兆武 邸英杰 張冬梅

【摘? 要】齒輪箱又稱增速箱，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)的安全可靠性對(duì)風(fēng)力發(fā)電的效率和效益具有至關(guān)重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪箱故障是造成風(fēng)電機(jī)組停機(jī)的主要因素之一，特別是在停機(jī)時(shí)長方面的影響更加明顯。因此，采取有效的措施實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測是提高風(fēng)力發(fā)電效率和效益的重要舉措。論文設(shè)計(jì)開發(fā)的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，基于振動(dòng)分析原理，通過可定制的人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)地監(jiān)測齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)故障時(shí)能夠迅速定位，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)潛在的故障進(jìn)行預(yù)警，以便有針對(duì)性地開展運(yùn)維工作。

【Abstract】Gearbox， also known as speed-increasing box， is an important power transmission mechanism of wind turbine. The safety and reliability of gearbox operation plays a vital role in the efficiency and benefit of wind power generation. According to statistics， gearbox failure is one of the main factors causing wind turbine shutdown， especially its impact on the length of shutdown is more obvious. Therefore， taking effective measures to realize the real-time monitoring of the operation state of the gearbox is an important measure to improve the efficiency and benefit of wind power generation. The online vibration monitoring system for wind turbine gearbox designed and developed in this paper uses big data processing technology， based on the principle of vibration analysis， monitors the operation state of gearbox in real-time through customizable human-computer interaction interface， can quickly locate failure， and early warning potential failure according to historical data， so as to carry out targeted operation and maintenance work.

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機(jī)組;齒輪箱;在線監(jiān)測

【Keywords】wind turbine; gearbox; online monitoring

【中圖分類號(hào)】TM315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）11-0194-03

1 引言

隨著我國風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)的不斷發(fā)展和裝機(jī)容量的持續(xù)增加，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為支撐我國電力事業(yè)發(fā)展的重要組成部分。齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，由于風(fēng)力無規(guī)律的變向變負(fù)荷和強(qiáng)陣風(fēng)沖擊的影響，相對(duì)于通用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱負(fù)載復(fù)雜、傳遞功率大、變速比高、故障率高[1]。特別是隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行年限不斷增長，其故障率不斷上升，維護(hù)維修困難，這嚴(yán)重影響了風(fēng)電場的發(fā)電效率和效益。所以，通過安裝在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪箱的潛在故障，防止損傷擴(kuò)大，對(duì)于保證風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與開展計(jì)劃性維修和維護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

本文利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在振動(dòng)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套風(fēng)電機(jī)組齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)齒輪箱故障診斷，也可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)潛在的故障進(jìn)行預(yù)警，以便風(fēng)電場工作人員有針對(duì)性地開展運(yùn)維工作[3，4]。

2 齒輪箱的結(jié)構(gòu)及常見故障

風(fēng)力發(fā)電的過程是風(fēng)作用到葉片上，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪帶動(dòng)齒輪箱的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而將動(dòng)能輸送到齒輪箱。齒輪箱將輸入的大扭矩、低轉(zhuǎn)速動(dòng)能轉(zhuǎn)化成低扭矩、高轉(zhuǎn)速的動(dòng)能，通過聯(lián)軸器傳遞給發(fā)電機(jī)[5]。發(fā)電機(jī)將輸入的動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為電能，最后經(jīng)變頻處理后輸送到電網(wǎng)。齒輪箱一方面作為動(dòng)力傳動(dòng)裝置，將風(fēng)輪的動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子;另一方面將風(fēng)輪的低轉(zhuǎn)速提升到發(fā)電機(jī)能夠正常工作所需要的額定高轉(zhuǎn)速。所以，齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈中重要的機(jī)械部件。目前，大型風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱普遍采用一級(jí)行星和兩級(jí)平行軸的三級(jí)傳動(dòng)方式，以滿足傳動(dòng)比要求。某風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[6]。其中，z表示各齒輪的齒數(shù)，用于計(jì)算齒輪嚙合頻率。

由于齒輪箱的長期高負(fù)荷、高沖擊、高扭矩運(yùn)轉(zhuǎn)，其故障率相對(duì)較高，較為常見的故障包括齒輪故障（斷齒、膠合、點(diǎn)蝕）、軸承故障（軸承過熱，軸承內(nèi)圈、外圈、保持架、滾子損傷、配合處間隙過大）、軸不對(duì)稱、不平衡等。風(fēng)電機(jī)組齒輪箱常見故障分析如表1所示[7]。表1給出了齒輪箱常見故障的產(chǎn)生原因，從而為日常維護(hù)維修提供了重要的參考。在實(shí)踐中，當(dāng)齒輪箱發(fā)生故障后，通常采用內(nèi)窺鏡對(duì)齒輪箱進(jìn)行開蓋窺視檢查從而判定故障原因和選擇維修方式。由于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，存在很多精密元器件，因此，采取傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡難以進(jìn)行全面的診斷。通過在齒輪箱的預(yù)定部位安裝振動(dòng)傳感器，利用振動(dòng)分析的相關(guān)理論在線實(shí)時(shí)監(jiān)測其運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)其故障趨勢進(jìn)行預(yù)警具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 齒輪箱在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文基于振動(dòng)分析原理，應(yīng)用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)針對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測的特點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)了風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)齒輪箱低轉(zhuǎn)速軸和高轉(zhuǎn)速軸的運(yùn)行特點(diǎn)，全面獲取其振動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過大數(shù)據(jù)管理和專業(yè)分析工具及時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪箱潛在故障并形成故障預(yù)警報(bào)告。該系統(tǒng)按照從設(shè)備運(yùn)行到用戶使用的順序分感知層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層3個(gè)部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

3.1 感知層的構(gòu)成和功能

感知層位于系統(tǒng)底層，通過在齒輪箱預(yù)定位置安裝傳感器獲取振動(dòng)信息。該層裝配有數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)通信設(shè)備，數(shù)據(jù)采集裝置靠近傳感器位于風(fēng)電塔頂位置，裝置有多通道高速同步數(shù)據(jù)采集接口，集成了以太網(wǎng)通信、RS485等通信接口，支持OPC、Modbus、104協(xié)議，可以和PLC、DCS等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信設(shè)備位于風(fēng)電塔底位置，通過設(shè)置光電轉(zhuǎn)換器利用風(fēng)電場備用光纖線路搭建通信網(wǎng)絡(luò)將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)層。在感知層，根據(jù)實(shí)際工況選擇傳感器的類型和安裝測點(diǎn)尤其重要。為獲得有效振動(dòng)信息，根據(jù)齒輪箱的監(jiān)測位置選擇低頻速度傳感器或者加速度傳感器，轉(zhuǎn)速信息可以從發(fā)電機(jī)組的近接開關(guān)處獲得，也可以在高速軸安裝電渦流傳感器獲得。測點(diǎn)選擇一方面要真實(shí)反映振動(dòng)情況，另一方面測點(diǎn)處要有堅(jiān)實(shí)的金屬部位與傳感器連接。各測點(diǎn)之間合理分布會(huì)更加全面地提取齒輪箱的有效振動(dòng)數(shù)據(jù)。為獲取風(fēng)電機(jī)組整體振動(dòng)信息，本文選擇在主軸承處、齒輪箱的輸入和輸出軸承座、行星部位、發(fā)電機(jī)兩側(cè)軸承座等幾個(gè)測點(diǎn)安裝傳感器，測點(diǎn)分布及安裝的傳感器類型如表2所示。

3.2 數(shù)據(jù)層的構(gòu)成和功能

數(shù)據(jù)層位于系統(tǒng)的中間層，該層依托風(fēng)電場主控室裝配的數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別體系數(shù)據(jù)編碼的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)讀取與分發(fā)、數(shù)據(jù)編碼與管理等功能。該層采用SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)大數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)與管理，還可以根據(jù)機(jī)組數(shù)量擴(kuò)展其他平臺(tái)連接，非常方便地組建分布式大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。該層還內(nèi)嵌增強(qiáng)型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)和塊數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問。數(shù)據(jù)層平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

3.3 應(yīng)用層的構(gòu)成和功能

應(yīng)用層位于系統(tǒng)的頂層，該層依托風(fēng)電場主控室裝配的應(yīng)用服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、振動(dòng)數(shù)據(jù)分析、故障報(bào)告展示、故障報(bào)警展示等功能。用戶可以通過可視化的人機(jī)交互界面在主控室局域網(wǎng)的任何一個(gè)終端電腦上錄入設(shè)備的配置信息，例如，選擇監(jiān)測設(shè)備、通道對(duì)應(yīng)測點(diǎn)等，配置界面如圖4所示。

應(yīng)用層集成了多種振動(dòng)數(shù)據(jù)分析工具，如振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形分析、頻域頻譜分析、包絡(luò)解調(diào)分析等，以滿足專業(yè)分析人員對(duì)于數(shù)據(jù)分析和故障診斷的需求，確定設(shè)備振動(dòng)異常的原因、部位、性質(zhì)，最終為科學(xué)檢修提供指導(dǎo)依據(jù)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在某風(fēng)電場進(jìn)行了安裝調(diào)試。該系統(tǒng)不影響風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，只是在風(fēng)電機(jī)組的預(yù)定位置安裝傳感器，選擇的振動(dòng)測點(diǎn)和安裝的傳感器類型如表2所示。數(shù)據(jù)采集裝置將振動(dòng)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過光纖通信設(shè)備傳送到風(fēng)電場中控室的數(shù)據(jù)服務(wù)器。用戶在應(yīng)用層通過配置系統(tǒng)參數(shù)和選擇數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測并對(duì)其故障趨勢進(jìn)行預(yù)警。其中一個(gè)測點(diǎn)的時(shí)域波形和頻譜波形如圖5所示。

時(shí)域波形是設(shè)備最原始的振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，其峰值、峭度系數(shù)等特征參數(shù)和圖形特征可以直觀簡明地反映設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，是常用的故障報(bào)警方式。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，其振動(dòng)的頻率會(huì)發(fā)生明顯改變，頻譜分析也可以非常直觀地實(shí)現(xiàn)齒輪箱的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。包絡(luò)解調(diào)分析是被證明的對(duì)早期診斷軸承及齒輪故障非常有效的手段，它可以在各個(gè)頻段上對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，提取出不同區(qū)域的故障特征頻率。包絡(luò)解調(diào)圖如圖6所示。

以時(shí)間或者轉(zhuǎn)速為z坐標(biāo)，可以形成測點(diǎn)的三維頻譜圖又稱瀑布圖。通過三維頻譜圖可以判斷測點(diǎn)的各頻率成分隨時(shí)間或者轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。三維頻譜圖如圖7所示。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱的故障進(jìn)行提前預(yù)警，系統(tǒng)利用歷史數(shù)據(jù)，可以得到長時(shí)域的波形分析、包絡(luò)解調(diào)和各種對(duì)比分析，從而通過特征值變化趨勢識(shí)別設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，找到有問題的設(shè)備。系統(tǒng)也可以對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的各個(gè)時(shí)域有量綱參數(shù)和無量綱參數(shù)進(jìn)行趨勢分析，通過標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)量級(jí)，對(duì)異常設(shè)備及時(shí)發(fā)出黃色、橙色、紅色等不同級(jí)別的報(bào)警信息并形成故障預(yù)警報(bào)告。振動(dòng)趨勢分析如圖8所示。

5 結(jié)語

本文根據(jù)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測的特點(diǎn)和風(fēng)電場根據(jù)故障預(yù)警有針對(duì)性地開展運(yùn)維的現(xiàn)實(shí)需求，基于振動(dòng)分析原理設(shè)計(jì)開發(fā)了一種風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的預(yù)定位置安裝傳感器，利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)分析理論對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，從而實(shí)現(xiàn)齒輪箱各個(gè)測點(diǎn)的狀態(tài)展示、圖表分析、趨勢分析等。通過在某風(fēng)電場安裝運(yùn)行，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的有效性，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警功能。

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