基于振動(dòng)的風(fēng)機(jī)葉片故障監(jiān)測(cè)方法研究

劉瑞剛

（北京國電電力新能源技術(shù)有限公司，北京 100101）

0 引言

近年來，我國風(fēng)電裝機(jī)容量增長迅速，但其他一系列與風(fēng)電配套的措施暫時(shí)滯后，出現(xiàn)了一些制約國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題。風(fēng)機(jī)葉片作為風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵零部件之一，其狀態(tài)的好壞會(huì)直接影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。

為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電葉片的運(yùn)行狀態(tài)，業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行了多方探索并提出了多種解決方案：葉片超聲波檢測(cè)法[1]，適用于葉片成型后的出廠檢驗(yàn)；無人機(jī)風(fēng)電巡檢[2]，操作技術(shù)門檻較高；光纖光柵技術(shù)在線監(jiān)測(cè)方案準(zhǔn)確度高[3]，但光纖傳感器價(jià)格昂貴，使其在工程中批量使用受到限制；還有基于聲學(xué)的葉片監(jiān)測(cè)方案，聲學(xué)故障庫目前以仿真驗(yàn)證為主，距離真正投入風(fēng)場(chǎng)使用還有很長的路要走。

該文研究通過在葉片內(nèi)腔部位布置振動(dòng)傳感器來監(jiān)測(cè)葉片運(yùn)行的方法。針對(duì)采集到的風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)分析葉片的受力情況，進(jìn)而研究葉片的故障類型，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程人員有計(jì)劃地對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行檢修與維護(hù)。

1 葉片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)主要由雙軸加速度傳感器、無線傳輸裝置、數(shù)據(jù)采集單元、光纖環(huán)網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器以及分析和在線監(jiān)測(cè)及故障診斷軟件組成，如圖1所示。葉片雙軸振動(dòng)傳感器布置在距離葉根1/3葉片總長的位置，可同步采集葉片揮舞和擺振2個(gè)方向上的振動(dòng)情況，3支葉片內(nèi)雙軸振動(dòng)傳感器加裝的位置相同。數(shù)據(jù)采集裝置安裝在輪轂，隨葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。輪轂與機(jī)艙之間采用無線通信，數(shù)據(jù)被安裝在機(jī)艙控制柜中的無線AP接收后，通過機(jī)艙交換機(jī)進(jìn)入風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，再由環(huán)網(wǎng)交換機(jī)上傳至升壓站服務(wù)器。

圖1 葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過在葉片內(nèi)部加裝雙軸復(fù)合型振動(dòng)傳感器來監(jiān)測(cè)葉片的揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)等振動(dòng)狀態(tài)。通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的深入分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)引起葉片空氣動(dòng)力學(xué)特性變化的故障為葉片覆冰、槳距角偏差和葉片撕裂。通過對(duì)葉片固有頻率的變化分析，發(fā)現(xiàn)引起葉片剛度變化的損傷，如裂紋等。

葉片雙軸加速度傳感器內(nèi)置溫度采集單元，可采集葉片內(nèi)腔表面的溫度。用于輔助判斷葉片覆冰的工況。

2 葉片監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法

葉片監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法傳承了傳動(dòng)鏈振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)旋轉(zhuǎn)大部件周期性振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析方法，并根據(jù)葉片自由的工作模式分為時(shí)域分析和頻域分析2種。

2.1 時(shí)域分析

風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)來源分為3個(gè)通道：揮舞方向振動(dòng)數(shù)據(jù)x（t）、擺振方向振動(dòng)數(shù)據(jù)y（t）、溫度c（t）。振動(dòng)時(shí)域波形直觀地反映了振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)狀況。

風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模使用的是三葉片風(fēng)電機(jī)組，同一臺(tái)機(jī)組3支葉片、同一風(fēng)場(chǎng)的所有葉片批次原則上的運(yùn)行模式與振動(dòng)趨勢(shì)是相同的。在時(shí)域中，該文采用比較分析法。

特征值趨勢(shì)比較分析法：計(jì)算每支葉片在某一時(shí)段的特征值，對(duì)比相同時(shí)段同一臺(tái)機(jī)組3支葉片的有效值，提取特征值趨勢(shì)異常的葉片數(shù)據(jù)；對(duì)比同一風(fēng)場(chǎng)所有葉片在相同時(shí)段的特征值趨勢(shì)，提取特征值趨勢(shì)異常的葉片數(shù)據(jù)。

特征值包括峰峰值、均值、有效值和歪度指標(biāo)等，如公式（1）～公式（4）所示。通過多種特征的趨勢(shì)比較，全面評(píng)估待測(cè)葉片特征，重點(diǎn)關(guān)注特征值異常的機(jī)組或者葉片。

式中：T為時(shí)間周期；x（t）為振動(dòng)信號(hào)；N為樣本點(diǎn)數(shù)。

在時(shí)域范圍內(nèi)，振動(dòng)信號(hào)波形的變化趨勢(shì)可大致反應(yīng)被測(cè)量受力情況。

一般情況下，三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，3支葉片傳感器監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)情況是相近的。除相位上相差120°外，振動(dòng)數(shù)據(jù)的特征值和波形走勢(shì)情況是一致的。如果某支葉片覆冰造成葉片質(zhì)量發(fā)生本質(zhì)變化，或者某支葉片開裂造成葉片掃略阻力增大、振動(dòng)異常的情況，從時(shí)域波形分析圖譜中能發(fā)現(xiàn)異常，3支葉片的相關(guān)系數(shù)將發(fā)生變化。

如果3支葉片同時(shí)發(fā)生故障，從時(shí)域波形上不能很好區(qū)分葉片故障特征時(shí)，則需要參考葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)的頻域信息。

2.2 頻域分析

頻域分析是指對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，得到其振幅譜與相位譜，是振動(dòng)信號(hào)分析的主要手段。該方法是將信號(hào)中的頻率成分提取出來，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組各部件的固有頻率，反映振動(dòng)信號(hào)內(nèi)在的頻率結(jié)構(gòu)。

由理論力學(xué)可知，風(fēng)機(jī)葉片作為單點(diǎn)的一階彈性系統(tǒng)，其一階固有頻率f的計(jì)算如公式（5）所示。

式中：k為剛度系數(shù)，取決于單點(diǎn)的材料；m為單點(diǎn)的質(zhì)量；π為圓周率常數(shù)，取值3.14。

根據(jù)原理，如果單點(diǎn)剛度大而質(zhì)量小，其固有頻率則高；如果剛度小而質(zhì)量大，則其固有頻率要低。通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片做模態(tài)分析可知，目前的風(fēng)電機(jī)組葉片的振動(dòng)固有頻率為0.3 Hz～1.2 Hz。

該文提出基于頻域的葉片固有頻率偏移的分析方法。該方法包括同一臺(tái)機(jī)組3支葉片同一時(shí)段固有頻率的對(duì)比分析方法、同一臺(tái)機(jī)組同一支支葉片不同時(shí)段固有頻率的對(duì)比分析方法2種。

其中，同一臺(tái)機(jī)組3支葉片同一時(shí)段固有頻率的對(duì)比分析方法具體步驟如下：首先，采用傅里葉變換FFT方法，從葉片擺振數(shù)據(jù)y（t）中提取葉片某一時(shí)段的一階固有頻率，記為Fy。其次，在葉片出廠報(bào)告中查詢對(duì)應(yīng)編號(hào)下的葉片固有頻率出廠值Fn。最后，比較Fy與Fn的關(guān)系，評(píng)估葉片固有頻率的變化情況。

當(dāng)某支葉片覆冰造成葉片質(zhì)量增大時(shí)，由一階固有頻率f的計(jì)算公式可知，在葉片剛度系數(shù)不變的情況下，F(xiàn)y

Fy>Fn。

另外，同一臺(tái)機(jī)組同一支支葉片不同時(shí)段固有頻率的對(duì)比分析方法具體步驟如下：不同時(shí)段的葉片擺振數(shù)組定義為y（a）與y（b），其中，y（a）的取值時(shí)間早于y（b）的取值時(shí)間。首先，采用傅里葉變換FFT方法，從葉片擺振數(shù)據(jù)y（t）中提取葉片一階固有頻率，記為Fa與Fb。其次，比較Fa與Fb的關(guān)系，評(píng)估該葉片固有頻率的變化情況。當(dāng)Fa為葉片正常運(yùn)行狀態(tài)下（覆冰）數(shù)據(jù)，F(xiàn)b為葉片覆冰后的數(shù)據(jù)，由一階固有頻率f的計(jì)算公式可知，造成葉片質(zhì)量增大時(shí)，F(xiàn)b

式中：H為葉片固有頻率無量綱化系數(shù)；Fy為葉片擺振數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提取的固有頻率；Fn為葉片出廠報(bào)告中查詢對(duì)應(yīng)編號(hào)下的葉片固有頻率出廠值。

3 案例分析

葉片振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)域和頻域分析的共同目標(biāo)是將工作異常的風(fēng)機(jī)葉片標(biāo)識(shí)出來，方便現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員進(jìn)行有針對(duì)性地檢修和維護(hù)。在升壓站服務(wù)器上的葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件上，將時(shí)域和頻域分析算法及邏輯寫入，最終實(shí)現(xiàn)工況異常的葉片預(yù)警標(biāo)識(shí)。以某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的實(shí)測(cè)振動(dòng)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行分析，場(chǎng)內(nèi)共有25臺(tái)風(fēng)電機(jī)組2.0 MW的，裝機(jī)容量為50 MW，風(fēng)機(jī)葉片長度為63 m。每臺(tái)機(jī)組上都加裝了葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)風(fēng)機(jī)葉片狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速較低，根據(jù)旋轉(zhuǎn)部件固有頻率特性，設(shè)定葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集策略見表1。為區(qū)分同一臺(tái)風(fēng)機(jī)3支葉片，將進(jìn)入風(fēng)機(jī)輪轂滑環(huán)動(dòng)力及通信線纜進(jìn)入的第一支葉片定義為S1號(hào)葉片，線纜的進(jìn)入的第二支葉片為S2號(hào)葉片，線纜進(jìn)入的第三支葉片為S3號(hào)葉片。

表1 葉片振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集策略

從葉片在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中提取#7號(hào)和#18號(hào)機(jī)組在觸發(fā)葉片監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)前、后一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，作為該次案例分析的樣本數(shù)據(jù)。

3.1 #7號(hào)機(jī)組分析

該風(fēng)場(chǎng)葉片在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示#7號(hào)機(jī)組特征值-峰峰值觸發(fā)報(bào)警。提取#7號(hào)機(jī)組的三支葉片觸發(fā)報(bào)警后的同一時(shí)刻的600個(gè)采樣點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)，計(jì)算并繪制葉片擺振方向的時(shí)域波形圖如圖2所示?？梢钥闯觯琒2號(hào)葉片的時(shí)域波形與其他2支葉片相比較低。根據(jù)后臺(tái)時(shí)域報(bào)警邏輯定義可知，該風(fēng)機(jī)3支葉片在同一時(shí)刻的峰峰值不同，葉片S1峰峰值與葉片S3峰峰值相同，并均大于葉片S2峰峰值，而且葉片S2峰峰值與其他2支葉片峰峰值的差值均超出了設(shè)定的限值，隨即觸發(fā)報(bào)警。

根據(jù)風(fēng)場(chǎng)巡檢人員反饋，#7號(hào)機(jī)組S2號(hào)葉片變槳角度異常，已及時(shí)更正。變槳角度傳感器精度不夠、變槳電機(jī)損壞和個(gè)別變槳軸承摩擦力矩存在問題等都會(huì)導(dǎo)致葉片在變槳運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)偏差，造成葉片角度不統(tǒng)一的情況。

3.2 18#號(hào)機(jī)組分析

#18號(hào)機(jī)組特征值觸發(fā)報(bào)警，葉片在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示3支葉片同時(shí)結(jié)冰導(dǎo)致葉片一階固有頻率降低觸發(fā)限值報(bào)警。首先，提取#18號(hào)機(jī)組的3支葉片觸發(fā)報(bào)警時(shí)刻附近的200組波形數(shù)據(jù)，計(jì)算并繪制葉片擺振方向的特征值圖譜，驗(yàn)證特征值差值沒有觸發(fā)報(bào)警閾值。其次，對(duì)3支葉片的波形數(shù)據(jù)做頻率分析，計(jì)算每組數(shù)據(jù)3支葉片擺振數(shù)據(jù)的頻率系數(shù)，繪制三葉片擺振頻率系數(shù)變化趨勢(shì)圖，如圖3所示，?？梢钥闯?，三葉片在一段時(shí)間內(nèi)擺振頻率系數(shù)同時(shí)發(fā)生跌落，跌落后的頻率系數(shù)低于1。說明跌落后的葉片實(shí)時(shí)一階固有頻率低于葉片出廠固有頻率數(shù)值，根據(jù)故障邏輯推理可知3支葉片同時(shí)遭遇剛度系數(shù)k減小，或者單點(diǎn)的質(zhì)量m同時(shí)增大的情況。

圖3 #18機(jī)組單葉片擺振固有頻率系數(shù)圖譜

另外，從溫度曲線反饋情況可以看出，在擺振頻率系數(shù)發(fā)生跌落的時(shí)段，葉片的溫度在0 ℃左右。綜上在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷葉片結(jié)冰，系數(shù)跌落觸發(fā)報(bào)警。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)巡檢人員反饋，#18號(hào)機(jī)組3支葉片出現(xiàn)過同時(shí)結(jié)冰的情況，已及時(shí)安排葉片除冰作業(yè)。我國北部及高原地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)冰雪天氣，因此風(fēng)機(jī)葉片可能產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，表面容易產(chǎn)生覆蓋層，影響葉片的強(qiáng)度和韌性，嚴(yán)重時(shí)將造成葉片損傷或斷裂。

4 結(jié)論

風(fēng)機(jī)葉片故障診斷是一個(gè)復(fù)雜而長期的過程，該文針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片故障診斷問題，分析了基于時(shí)域和頻率的數(shù)據(jù)分析方法在單支和單臺(tái)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)診斷上的應(yīng)用。另外，還介紹了一種基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)機(jī)葉片故障診斷預(yù)警邏輯，在提升葉片故障診斷方法的同時(shí)，也提高了現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器預(yù)警的有效性，為數(shù)據(jù)診斷人員后期數(shù)據(jù)分析和故障分析打下了良好的基礎(chǔ)。