CN101464212B - 风力涡轮机的基于振动自动情况监测方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风力涡轮机的基于振动自动情况监测方法和设备，该方法包括：确定风力涡轮机的一组振动测量数值；计算该组振动测量数值的频谱；计算频谱的倒频谱；选择倒频谱中的至少一个第一逆频；根据所选逆频处的倒频谱的幅值，检测报警情况。

Description

风力涡轮机的基于振动自动情况监测方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的基于振动自动情况监测方法和设备以及一种风力涡轮机。
背景技术
为了检测机械系统中的特定情况，公知的是测量和分析机械系统中出现的振动的自动情况监测系统。为了以高度安全和最小数量的错误报警来提供可靠的监测，这些错误报警是由于难以在故障频率背景噪音和/或随机频率峰值之间进行清楚区分而造成的，希望的是优化这种系统中所采用的自动评估方法。
现有技术的自动振动监测系统通常基于以下方法之一：
非常常见的方法是按照ISO10816进行rms(均方根)测量。这里通常计算10-10000Hz频带的rm，因此获得可以与特定阈值连续比较的纯量值。但是检测系统的不规则行为当前不能得到这种方法的支持，并且不能详细确定损坏的类型。
另一方法是限定定位在特别感兴趣的频率处的多个不同的rms带。例如，由FFT(快速傅立叶转换)或者包络上的包络FFT获得的频谱可用作输入数据，并且输出结果是用于每个限定带的标量数值，可以与阈值比较。这里损坏可在相对早期的阶段检测。
但是，这种方法不能提供用于相互靠近的频率的可靠分离，使得相邻影响显著损坏结果的可靠性以及这种系统的实用性。另外，这种方法特别敏感于背景噪音的振动或显著频带中的随机出现信号。因此，这些系统会形成错误报警，并因此只提供有限的特征。此外，在错误振动信号的幅值大小大致等于系统的总体背景信号的幅值大小的环境下，这种系统通常提供不令人满意的结果。
另一种方法在于将频谱与报警时标比较。这种报警时标可以根据机械系统的试车时的参考频谱限定。这里通常一个或多个报警时标施加在参考频谱上。一旦出现机械故障，例如齿轮齿损坏，将形成穿过时标的旁带，并且触发报警。虽然这种方法用于在早于前面描述的方法的阶段内检测故障，它总是具有与该方法相同的局限性。
又一方法在公开的专利申请EP1548419A1中披露。这里，它提出对于频谱进行倒频谱分析，以便诊断轨道车辆轴的轴承单元的故障特性。
但是，由于其特定的结果形式，这种方法在数据处理过程中需要显著的额外努力。同样，这种方法中的幅值评估难以复制。这里所提供的幅值不能代表普通的频谱。
以上描述的方法的局限性在风力涡轮机的自动情况监测中特别显著，特别是风力涡轮机的齿轮或齿轮箱。在风力涡轮机中，具有多种不同的振动部件。虽然这些部件的某些部件适用于检测，其它部件不适合。特别是对于风力涡轮机齿轮箱中行星级中的齿损坏来说，由于与正常操作部件的信号或背景噪音信号的内能相比，故障造成的振动信号具有低内能。同样在频域内，被监测部件的任何特定幅值的信号以与其它部件的信号以及总体背景噪音混合的形式出现。特别是对于包括具有类似振动频率特性的多个部件的风力涡轮机中的早期监测情况，容易出现相邻效应。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种用于风力涡轮机的基于振动自动情况监测的方法和设备，用于在风力涡轮机中常见的特定情况下可靠监测，同时避免现有技术的局限性，本发明还提供一种风力涡轮机。
此目的通过权利要求1、13和25的主题来实现。
按照权利要求1的本发明提出一种用于风力涡轮机的基于振动自动情况监测方法，包括如下步骤：确定风力涡轮机的一组振动测量数值；计算该组振动测量数值的频谱；计算该频谱的倒频谱；在该倒频谱中选择至少一个第一逆频，并且根据倒频谱在所选频率的幅值，检测报警情况。此外，损坏的检测另外取决于信号的存在，例如噪音程度以上的显著幅值或谐波的存在。
通过计算和分析风力涡轮机中测量的振动频谱的倒频谱，本发明的构造产生高度精确和有倾向的数值。在风力涡轮机的环境下，其中由于故障系统操作造成的振动特别难以检测，倒频谱的应用证明产生良好的监测结果。
在风力涡轮机中使用倒频谱因此克服了倒频谱分析不适用于在这种环境下自动情况监测的倒频谱分析的通常接受的观点，其局限性通常如上所述为人所知。
例如，在现有技术的所述系统中，其中轨道车辆轴的轴承被监测，倒频谱分析只适用于可以清楚区分单个振动源以及规则和不规则振动以特征方式表明其本身的的系统。相比之下，风力涡轮机包括多个监测振动源，其中大多数具有类似的特性，并且定位在相互邻近的频率范围内。
因此，虽然风力涡轮机的监测比轨道车辆轴的轴承的监测更加复杂，本发明提出付出另外的技术努力来计算倒频谱，并且令人吃惊地提供了可靠和准确的风力涡轮机的监测结果。
本发明的此方面的其它实施例的特征在于从属于权利要求1的权利要求中提供的特征。
在被监测的风力涡轮机具有可变的转子速度的情况下，该方法的实施例还包括确定风力涡轮机的转子速度以及按照所确定的速度转换该组振动测量数值的步骤。
因此，本发明可用于具有恒定转子速度的风力涡轮机以及具有可变转子速度的风力涡轮机，例如用于转子的转动速度通过制动或节距控制来控制。通过转换该组测量数值，转换和分析的其它步骤可以没有改变地进行。
在一个实施例中，风力涡轮机的该组振动测量数值包括风力涡轮机的至少一个齿轮的转动的测量数值。风力涡轮机的该组振动测量数值还包括风力涡轮机的齿轮箱的振动的测量数值，和/或可包括或者包含振动测量数值的时间序列。在这种复杂的机械情况下，可以最为有利的实现本发明的潜力。但是这种实施例不局限于时间序列。该组振动测量数值还可包括包络时间序列，可以按照转子转动速度来转换。
该方法还体现为计算该组振动测量数值的频谱包括计算自乘谱。
在一个实施例中，在倒频谱中选择至少一个第一逆频包括选择对于被监测的机械部件来说是特征性的逆频。因此，一个或多个部件(各自具有单独的特征逆频)的状态可通过高度特定的方式检测。
通常，该方法可体现为还包括进一步选择至少一个第二逆频的步骤，该逆频位于所选第一逆频附近的特定逆频间隔内。在一个实施例中，可以选择整个特定逆频间隔。因此，使得该系统更加能够忍受所述部件的振动频率的小变化。对于所有部件来说，都可以这样。
在一个实施例中，根据所选逆频处的倒频谱幅值检测报警情况包括将幅值转换成指示数值的步骤。此指示数值有助于进一步评估，并且可根据幅值的平均数值、rms数值(均方根数值或者峰值数值)。另外，指示数值可在频域中计算，例如形成所述逆频基础的谐波功率，因此提供更加精确的结果。
本领域的普通技术人员将理解到如果如上所述选择整个逆频间隔，整个特定间隔内的逆频幅值可以转换成指示数值。
此外，该方法体现为包括选择与所选逆频相对应的至少一个阈值的步骤。
在这种实施例中，检测报警情况可包括将所选逆频处的倒频谱幅值与相应的阈值比较。在其中指示数值由一个或一组幅值计算的实施例中，检测报警情况可包括将所选逆频的倒频谱的指示数值与相应阈值比较。
另外，检测报警情况可包括从报警规则的存储库中选择并评估报警规则表达式，所述报警规则根据所选逆频处的倒频谱的幅值和/或所选逆频处的倒频谱指示数值来明确报警情况。因此，报警情况可以多种灵活方式应用。另外该系统可在风力涡轮机的运行过程中定制或更新。
按照权利要求13的本发明提出一组用于风力涡轮机的基于振动自动情况监测的监测设备，包括处理单元和报警情况评估器，其中处理单元构造成获得风力涡轮机的一组振动测量数值；处理单元还构造成计算该组振动测量数值的频谱；处理单元还构造成计算该频谱的倒频谱，并且报警情况评估器构造成选择倒频谱中的至少一个第一逆频并且根据所选逆频处的倒频谱幅值检测报警情况。
通常，监测设备设计成进行本发明的方法步骤，并且因此可体现为在从属权利要求中限定，并且在上面以及详细说明中说明和描述，使得监测设备能够产生相应的技术结果。
在一个实施例中，处理单元还构造成获得风力涡轮机的至少一个转子速度数值，并且按照转子速度数值转换该组振动测量数值。
该组振动测量数值可包括被监测的风力涡轮机的至少一个齿轮的振动的测量数值和/或被监测的风力涡轮机的齿轮箱的振动的测量数值。该组振动测量数值可体现为包括所述的振动测量数值的时间序列或者包络时间序列。
处理单元可构造成根据计算自乘谱来计算该组振动测量数值的频谱。
在设备的实施例中，报警情况评估器可构造成根据选择对于被监测的机械部件来说具有特征性的逆频选择倒频谱内的至少一个逆频，并且还构造成进一步选择位于所选第一逆频附近的特定逆频间隔内的至少一个第二逆频。
在一个实施例中，报警情况评估器构造成将该幅值转换成指示数值。
监测设备还可体现为使得报警情况评估器构造成获得与所选逆频相对应的至少一个阈值，和/或将所选逆频处的倒频谱幅值与相应阈值比较。
在一个实施例中，报警情况评估器构造成从报警规则的存储库中选择并评估报警规则表达式，所述报警规则根据所选逆频处的倒频谱的幅值明确报警情况。
按照权利要求25的本发明提出一组风力涡轮机，包括按照本发明或其实施例之一的监测设备。
附图说明
下面使用附图，更加详细地描述本发明及其实施例。
图1表示本发明方法的第一实施例的总体示意图；
图2表示图1所示方法的细节；
图3表示图2所示方法的细节；
图4表示包括按照本发明实施例的设备的风力涡轮机的总体示意图；
图5表示一系列频谱的图表；
图6表示与图5相对应的一系列倒频谱的图表；以及
图7表示图6的细节。
具体实施方式
图1表示本发明方法的第一实施例的总体示意图。在步骤10中，通过从定位在风力涡轮机齿轮箱处或内部的传感器系统接收适当的测量来获得振动测量数值的时间序列。
虽然其它实施例与恒定转子速度的风力涡轮机相关，并因此省略随后的步骤110和120，在当前实施例中，风力涡轮机是可变转子速度的类型，并且其转子速度通过控制系统经由制动或节距控制操纵。因此在步骤110，通过专用传感器系统直接测量或者通过接收来自于控制系统的测量数值，获得与振动时间序列或作为另外可能性的包络时间序列相对应的转子速度数值。接着，在步骤120，按照转子速度中的变化转换(在时域缩放)振动测量的时间序列，使得所得转换时间序列可用于其它处理，而在信号分析和监测过程中没有变化。这种转换可以基于与转子转动速度的准确数值同步的时间序列的重新采样。为了获得这种数据，转动速度曲线可以通过连续测量形成。
在步骤200，对于转换的时间序列计算自乘谱，以便有效地获得振动的频谱。在步骤300，对于因此获得的频谱，计算倒频谱。
被计算的倒频谱可例如是功率倒频谱Cpxx，限定为信号ω的功率谱Cpxx(ω)的对数的前傅立叶转换F的模数平方。
Cpxx(τ)＝|F{log10Gxx(ω)}|2
作为选择，可以使用复倒频谱，限定为时间信号x(t)的前傅立叶转换F的对数的颠倒傅立叶转换F-1。
Ccxx(τ)＝F-1{log10F{x(t)}}
所得倒频谱的独立变量τ在本发明中指的是逆频。通常，逆频的尺寸与分析信号的独立变量的尺寸相同。
由于在当前情况下，变化信号的独立变量是时间，本申请中出现的逆频是时间单位。
在计算逆频之前，可以进一步进行如下的一个或多个操作：a)删除相关频率间隔之外的频率成分；b)通过光滑函数(余弦处理)光滑切割边缘；和/或c)通过限制由于异常或非常低程度的分量造成的非正常值或不希望的干扰来提高稳定性。
在步骤400，选择并连续监测多个特定逆频，以便包括风力涡轮机中的多种机械部件。为了使得系统能够经受部件振动的小频率变化，在步骤410中，对于每个特定逆频，从各自特定逆频的特定间隔中选择相邻逆频。
在步骤500，评估所选逆频处的倒频谱，以便检测报警情况。
报警检测的一个实施例在图2中详细示出。在步骤510中，确定倒频谱中的所选逆频处的幅值。为了有助于在报警检测中进一步处理，在步骤520，所选逆频处的幅值转换成指示数值。在步骤530，报警规则从报警规则存储库中选择，该规则以形式语言表达，并且表示代表状态的情况以及对于报警情况来说具有特征性的被监测逆频的组合。在步骤540，评估这种报警规则，以便获得给定时间点处的特定监测结果。
图3表示特定报警规则和评估处理的实例。在给定情况下在步骤530中选择的报警规则明确如果特定逆频处的特定幅值超过特定参考数值，则给出报警情况。随后在步骤550，从存储库选择各自阈值，以便用作参考数值，并且在步骤560，在步骤520获得的指示数值(或者在步骤510确定的实际幅值)与阈值比较。如果满足所选报警规则中给出的情况，检测到报警。
图4表示包括按照本发明实施例的设备的风力涡轮机的总体示意图。
风力涡轮机1包括以恒定或可变转子速度转动的转子10以及齿轮箱12、处理单元20、报警情况评估器22以及报警规则存储库24。例如通用处理器、数字信号处理器或ASIC的处理单元20、报警情况评估器22以及报警规则存储库24是监测设备的一部分，并且构造成结合起来执行本发明实施例描述的方法。
齿轮箱12包括具有行星轮的多个行星级以及用于测量振动和转子速度的传感器设备。处理单元20构造成执行多种信号计算步骤并且在系统的其它部件之间接收、存储和发送信息。报警情况评估器22构造成取回并以形式语言解释报警规则表达式以及评估阈值，并构造成与接口或其它计算机系统连通。报警规则存储库24存储报警规则和阈值并将其提供给报警情况评估器22。
另外，监测设备可包括与转子转动速度同步并用于振动通道的数据获得单元。
图5表示三个月时间周期内频谱的瀑布图。如A所示，风力涡轮机的齿轮箱内的行星轮的齿损坏只形成小旁带。但是，有关齿损坏的重要信息被埋没在常见背景噪音下，该噪音具有与来自于齿损坏的振动大致相同的等级。因此，这种情况特别难以检测。
相比之下，图6表示相应倒频谱的瀑布图。图5的频谱所示的相当小的旁带造成逆频的相应区域的频率峰值非常清楚，如A所示。
图7表示图6的瀑布图的逆频之一，刚好在风力涡轮机停止进行维修之前。这里，可以清楚看到0.04Hz-1处的基本频率以及相关的谐波。此基本频率的倒数值等于25Hz，是FFT谱内的旁带间距。
在实际应用中，本发明的方法通常跨越30秒时间序列的分析。因此，获得足够的频率分辨率和适当的自乘谱估计值，两种在采样系统中均构成挑战。实际应用还提供足够的动态范围来代表显著的部件，其信号通常弱于齿轮啮合部件多个级别。大于90dB的动态会是需要的。
被分析的信号通常包括确定性或随机信号的成分。为了获得是适当的自乘谱估计值，应该选择足够数量的平均值。这在相关确定性部件具有与随机噪音部件相同级别的情况下特别重要，如同当前的情况(附图所示)。
因此，可以看出本发明用于高度准确的基于振动的情况监测，具有改善的可靠性和高度专一性。特别对于风力涡轮机的机械部件来说，该系统给出所需的结果。检测不仅取决于幅值的大小，而且取决于信号分析，即取决于噪音层和谐波之上的显著幅值。

Claims (27)

1.一种用于风力涡轮机(1)的基于振动自动情况监测方法，包括：
确定(100)风力涡轮机的一组振动测量数值；
计算(200)该组振动测量数值的频谱；
计算(300)该频谱的倒频谱；
选择(400)该倒频谱中的至少一个第一逆频；
根据所选逆频处的倒频谱的幅值，检测(500)报警情况。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，被监测的风力涡轮机(1)具有可变转子速度，并且该方法还包括如下步骤：
确定(110)风力涡轮机的转子速度；
按照确定的速度，转换(120)该组振动测量数值。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，风力涡轮机的该组振动测量数值包括风力涡轮机的至少一个齿轮的振动的测量数值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，风力涡轮机的该组振动测量数值包括风力涡轮机的齿轮箱的振动的测量数值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该组振动测量数值包括振动测量数值的时间序列或包络时间序列。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，计算该组振动测量数值的频谱包括计算自乘谱。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在倒频谱中选择至少一个第一逆频包括选择对于被监测机械部件来说具有特征性的逆频。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括进一步选择(410)至少一个第二逆频的步骤，第二逆频位于所选第一逆频的特定逆频间隔内。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所选逆频处的倒频谱幅值检测报警情况包括将幅值转换(520)成指示数值的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，指示数值取决于所选一个或多个逆频处的倒频谱幅值的平均数值、RMS数值或峰值数值。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括选择(550)与所选逆频相对应的至少一个阈值的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，检测报警情况包括将所选逆频处的倒频谱的幅值与相应阈值比较(560)。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，检测报警情况包括从报警规则的存储库中选择(530)和评估(540)报警规则表达式，根据所选逆频处的倒频谱的幅值，所述报警规则明确报警情况。
14.一种用于风力涡轮机(1)的基于振动自动情况监测设备(20、22、24)，包括处理单元(20)和报警情况评估器(22)，其中：
处理单元构造成获得风力涡轮机的一组振动测量数值；
处理单元(20)进一步构造成计算该组振动测量数值的频谱；
处理单元(20)进一步构造成计算该频谱的倒频谱；
报警情况评估器(22)构造成在倒频谱中选择至少一个逆频，并且根据所选逆频处的倒频谱的幅值检测报警情况。
15.如权利要求14所述的监测设备，其特征在于，处理单元进一步构造成获得风力涡轮机的至少一个转子速度数值，并且按照转子速度数值转换该组振动测量数值。
16.如权利要求14或15所述的监测设备，其特征在于，该组振动测量数值包括被监测风力涡轮机的至少一个齿轮(12)的振动的测量数值。
17.如权利要求14所述的监测设备，其特征在于，该组振动测量数值包括被监测风力涡轮机的齿轮箱(12)的振动的测量数值。
18.如权利要求14所述的监测设备，其特征在于，该组振动测量数值包括振动测量数值的时间序列或包络时间序列。
19.如权利要求14所述的监测设备，其特征在于，处理单元(20)构造成根据计算自乘谱来计算该组振动测量数值的频谱。
20.如权利要求14所述的监测设备，其特征在于，报警情况评估器(22)构造成根据选择对于被监测机械部件来说具有特征性的逆频而在倒频谱中选择至少一个第一逆频。
21.如权利要求14所述的监测设备，其特征在于，报警情况评估器(22)构造成进一步选择至少一个第二逆频，第二逆频位于所选第一逆频的特定逆频间隔内。
22.如权利要求14所述的监测设备，其特征在于，报警情况评估器(22)构造成将幅值转换成指示数值。
23.如权利要求22所述的监测设备，其特征在于，指示数值取决于所选一个或多个逆频处的倒频谱幅值的平均数值、RMS数值或峰值数值。
24.如权利要求14所述的监测设备，其特征在于，报警情况评估器(22)进一步构造成获得与所选逆频相对应的至少一个阈值。
25.如权利要求24所述的监测设备，其特征在于，报警情况评估器(22)构造成将所选逆频处的倒频谱的幅值与相应阈值比较。
26.如权利要求14所述的监测设备，其特征在于，报警情况评估器(22)构造成从报警规则(24)的存储库中选择和评估报警规则表达式，根据所选逆频处的倒频谱的幅值，所述报警规则明确报警情况。
27.一种风力涡轮机，包括如权利要求14-26任一项所述的监测设备。
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