風電齒輪箱故障診斷信息集成系統(tǒng)研究與開發(fā)

李效龍，郝 莉

（1.南京高精齒輪集團有限公司，江蘇 南京 210000；2.中科南京移動通信與計算創(chuàng)新研究院，江蘇 南京 210000）

風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)化為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。增速齒輪箱是風力發(fā)電機組主要的變速和能量傳遞部件，它將葉輪受風力作用旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機發(fā)電，同時將葉輪輸入的很低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足發(fā)電機所需的轉(zhuǎn)速，其傳動系統(tǒng)可看作是一種受無規(guī)律變向載荷的風力作用及強陣扭矩沖擊的變載荷條件下工作的低速、重載齒輪傳動[1-2]。由于機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風口處的偏遠地帶，常年經(jīng)受酷暑嚴寒和極端溫差的影響，加之所處自然環(huán)境交通不便，且增速齒輪箱安裝在塔頂?shù)莫M小空間內(nèi)，距地面幾十米或百余米高，維護困難，故障頻發(fā)。一個擁有20 年壽命的風力發(fā)電機，其運行、維護和零部件的更換至少要花費其總發(fā)電收入的10%～15%，其中，增速齒輪箱的故障發(fā)生百分比已超過60%，是機組中故障發(fā)生率最高的部件[3-4]。增速齒輪箱價格昂貴、生產(chǎn)和修理周期長，保持其良好運行狀態(tài)對風電機組的穩(wěn)定運行意義重大。建立自主知識產(chǎn)權(quán)的風電設(shè)備制造技術(shù)和運用傳感器網(wǎng)絡(luò)化信息集成技術(shù)開發(fā)故障診斷集成信息系統(tǒng)對風電機組增速齒輪箱進行狀態(tài)監(jiān)測和遠程故障診斷具有實用價值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對大型并網(wǎng)機組多臺風電機之間和單臺風電機的故障信息須集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺，本系統(tǒng)為提高其運行水平進行了研究和設(shè)計。系統(tǒng)總體的物理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體物理結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從總體上分為3 個層次：數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測和遠程故障診斷。數(shù)據(jù)采集層主要是根據(jù)增速齒輪箱的結(jié)構(gòu)和故障機理分析，采用振動、溫度等傳感器對風電機增速齒輪箱進行布點監(jiān)測，并運用數(shù)據(jù)采集硬件與軟件對數(shù)據(jù)進行采集和處理，監(jiān)測風電機齒輪箱的運行狀態(tài)；狀態(tài)監(jiān)測層是基于局域網(wǎng)的風電機增速齒輪箱運行狀態(tài)監(jiān)控層。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測來掌握增速齒輪箱的運行狀態(tài)，保證機組安全穩(wěn)定的運行；遠程故障診斷層是基于瀏覽器對機組運行的故障數(shù)據(jù)通過Internet 進行遠程傳輸并診斷。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)的設(shè)計是故障診斷信息的核心，采用統(tǒng)一的系統(tǒng)界面，提供對多臺風電機組增速齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測，故障診斷和設(shè)備維修。軟件系統(tǒng)軸承故障診斷的界面圖如圖2 所示，上面是系統(tǒng)的4 個功能模塊，左側(cè)是每個功能模塊的樹形子模塊，每個子模塊都采用下拉式菜單窗口，并以漢字的形式提供各個功能的選擇。右側(cè)是診斷數(shù)據(jù)和圖像顯示區(qū)，通過詳情的查看，可以看到故障圖譜。通過圖譜上方下拉式菜單的選擇，可以查看不同的故障圖像。下面圖譜是基于實驗室22kW 的風電機實驗平臺齒輪箱高速端軸承測試得出的頻譜圖，圖中清晰的顯示出軸承振動的特征頻率。

圖2 風電機齒輪箱軸承故障診斷界面

軟件系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）設(shè)計模式、Windows Sever 2003 系統(tǒng)平臺和服務(wù)器應(yīng)用程序組（包括數(shù)據(jù)交換模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和Web 發(fā)布模塊)。系統(tǒng)程序集中在Web 服務(wù)器上運行，無須安裝客戶端軟件，實現(xiàn)表示層、功能層和數(shù)據(jù)庫服務(wù)層的B/S三層體系結(jié)構(gòu)。同時，運用ASP 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、SQL 2005 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，進行集成開發(fā)，并能夠以數(shù)字界面和圖像界面的形式顯示齒輪箱的運行狀態(tài)。用戶只要擁有權(quán)限，便可以通過瀏覽器登錄到系統(tǒng)的主頁查看和診斷大型并網(wǎng)風電機組齒輪箱的運行狀況。

軟件系統(tǒng)為一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，故障診斷信息集成系統(tǒng)功能模塊，如圖3 所示，主要包括：基本信息模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、故障診斷模塊和設(shè)備維修模塊，每個模塊又分成多個子系統(tǒng)。

圖3 軟件系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)

2.1 基本信息模塊

基本信息模塊通過各種數(shù)據(jù)顯示風電機增速齒輪箱主要零件的基本情況，用戶可以通過此模塊詳細地了解齒輪箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息、應(yīng)用參數(shù)信息和零件儲備信息。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測模塊

風電機組工作環(huán)境惡劣，運行工況隨風速變化，風輪轉(zhuǎn)速以及零部件承受的載荷也隨時發(fā)生變化，極易造成增速齒輪箱零部件出現(xiàn)故障甚至損壞。齒輪和軸承的故障是增速齒輪箱的主要故障，對齒輪和軸承的運行狀態(tài)的監(jiān)測就是通過齒輪和軸承的振動特征參數(shù)和振動圖像與標準閾值對比，判斷齒輪箱中齒輪和軸承是否存在故障，若存在故障，則保存故障數(shù)據(jù)，發(fā)出報警信號。

1）振動特征參數(shù)是由有效值、均值、方根幅值、K 因子、峰值、峭度、峰值因子、峭度因子、脈沖因子、裕度因子和波形因子組成。這些參數(shù)是進行振動信號幅域處理常用的指標。其中有效值、均值、方根幅值、K 因子和峰值為有量綱參數(shù)指標，而峭度、峰值因子、峭度因子、脈沖因子、裕度因子和波形因子為無量綱參數(shù)指標[5]。不同的參數(shù)反映齒輪和軸承不同的失效形式，參數(shù)的綜合應(yīng)用才能真實地反映出齒輪和軸承的運行狀況。

2）振動圖譜由時域波形圖、包絡(luò)線圖、頻譜圖、功率譜圖、倒頻譜圖、包絡(luò)譜圖和相關(guān)解調(diào)譜圖組成[6]?；诓煌臑V波范圍，從不同的角度監(jiān)測了增速齒輪箱的運行狀態(tài)。

2.3 故障診斷模塊

故障診斷是遠程診斷專家基于齒輪箱的結(jié)構(gòu)和故障機理，參考典型故障，分析增速齒輪箱的故障診斷特征參數(shù)和故障診斷圖像。根據(jù)圖譜中齒輪箱零部件的故障特征頻率成分以及有關(guān)頻率成分處幅值的大小，精確診斷出齒輪箱的故障類型、故障位置和故障的嚴重程度，找出故障原因，并給出診斷結(jié)論。

1）故障診斷特征參數(shù)就是狀態(tài)監(jiān)測中保存的故障數(shù)據(jù)，不同的參數(shù)代表各自的故障信息。根據(jù)診斷參數(shù)數(shù)值的大小和標注閾值比較，清晰地判斷出故障類型、故障位置及其嚴重程度。

2）故障診斷圖像是狀態(tài)監(jiān)測中保存的故障圖譜。診斷專家在故障診斷特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過綜合分析時域波形圖和頻域波形圖中故障信號的時間、頻率和幅值的變化情況，并與齒輪和軸承的特征頻率對比，確定故障情況和故障的發(fā)展趨勢。

3）故障診斷結(jié)論是遠程診斷給出的齒輪箱故障診斷建議，詳細地說明了故障部件的基本信息、運行參數(shù)特征、診斷方法、故障原因、故障現(xiàn)象、故障發(fā)展趨勢和維修建議。

4）歷史故障查詢是對設(shè)備故障診斷結(jié)論的查詢。用戶可以通過故障的查詢，掌握故障診斷知識和機組的故障情況，增強故障診斷的能力。

2.4 設(shè)備維修模塊

設(shè)備維修是基于增速齒輪箱結(jié)構(gòu)和專家診斷結(jié)論通過對機組維修而得出的維修結(jié)論。設(shè)備維修可以遏制故障的進一步發(fā)展，避免重大事故發(fā)生，對設(shè)備故障做到心中有數(shù)。

1）歷史維修輸入系統(tǒng)是維修人員對設(shè)備維護內(nèi)容的記錄。設(shè)備維修人員通過對設(shè)備的檢查、維護，對存在的故障問題進行處理，保障設(shè)備安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)地運行。

2）歷史維修查詢系統(tǒng)是用戶對設(shè)備維修記錄的查詢。用戶通過對故障情況的學習和總結(jié)，可有效地掌握設(shè)備的運行規(guī)律，加強設(shè)備運行調(diào)控。

3 結(jié)語

基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)、故障診斷理論和實驗?zāi)M平臺，研究了風力發(fā)電機故障診斷技術(shù)，提出了分布式層次化的設(shè)計思想，開發(fā)了以時域參數(shù)分析、時域譜分析和頻譜分析為基礎(chǔ)的風電機增速齒輪箱的故障診斷信息系統(tǒng)。B/S 的結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便系統(tǒng)功能的維護和升級；模塊化的設(shè)計思想有利于系統(tǒng)功能的擴展。振動特征參數(shù)、振動圖像的雙監(jiān)測和故障特征參數(shù)、故障圖譜的雙診斷，保證了故障診斷的準確性和有效性，實現(xiàn)了設(shè)備運行狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)化、安全化、專業(yè)化和科學化管理。該信息系統(tǒng)的研究與原型系統(tǒng)的開發(fā)，對研究大型并網(wǎng)機組遠程故障診斷、提高診斷信息集成度和機組運行水平，都具有較好的應(yīng)用價值。