CN101545824B

CN101545824B - 一种机械塔架故障诊断方法

Info

Publication number: CN101545824B
Application number: CN 200810030907
Authority: CN
Inventors: 唐德尧
Original assignee: Individual
Current assignee: Beijing Tanzhi Science & Technology Development Co Ltd
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: CN101545824A

Abstract

一种机械塔架振动故障诊断技术，含有包括振动或/和稳态加速度检测传感器以及受力方向检测传感器的传感器组、采集传感器组信号和对传感器组的信号进行分析诊断的故障信息处理器，把传感器组检测的信号通过电缆传输给故障信息处理器，并由故障信息处理器所含硬件采集信号后经所含的相应软件进行分析诊断及处理。由于采用多组设于特定位置的加速度传感器监控运行状态下的塔架动态状况，因此不仅能掌握塔架沿地理坐标方向的塔架所受的振动位移，而且还能有效地监测由于环境因素引起的扭转振动和塔体自身地基等因素引起的变化所带来的众多影响。同时又针对上述变化因素通过与加速度传感器配套的故障信息处理器，在保证塔架正常工作的范围内及时报警。这对于保证塔架的使用安全和提高使用寿命提供了技术支持。

Description

一种机械塔架故障诊断方法

技术领域：

本发明涉及一种机械塔架故障诊断方法，属于机械故障检测与诊断技术的范畴，主要用于以振动检测分析技术在线检测、诊断机械塔架和线缆，如输电线路的电塔和电缆、无线通信的中继塔、风力发电的塔架、石化设备的反应塔、冶金设备的高炉以及高层建筑等的故障。

技术背景：

现有建筑、工业、电力设施中经常使用塔架结构。多数塔架没有故障检测装置，而是采用自信是充分保守的设计规范来保障安全。甚至某些影响巨大的高塔设备如冶金高炉也没有专用的安全检测装置。以致不仅时有意外事故发生，如风力发电机因运转共振损毁，电塔、电缆塔因为电缆线冰冻和风雪袭击而倒塌，更何况由于缺乏对于这些设施与环境关系的认知手段，以致很难提出中肯的设计要求与改进意见。因此，为保障上述机械塔架系统的安全运行和实现对其与环境条件相互关系的认知作为设计创新的依据，需要发明机械塔架故障诊断方法。

发明内容：

本发明的目的：旨在提出一种机械塔架故障诊断方法，通过对运行状态下的塔架的相关物理量的监测，确认运行塔架的使用状态的安全与否；以便使用者采取安保措施。

这种机械塔架振动故障诊断方法，其特征在于：含有包括振动或/和稳态加速度检测加速度传感器以及受力方向检测传感器的传感器组1、采集传感器组信号和对传感器组的信号进行处理、分析、诊断的故障信息处理器2，把传感器组1检测的信号通过电缆传输给故障信息处理器2，并由故障信息处理器2所含AD接口21采集信号，或还经过故障信息处理器2所含分离运算器23处理后再由AD接口21采集信号，由故障信息处理器2所含分析诊断系统22的软件进行塔架的东西、南北方向和风机主轴方向、主轴横向及扭转方向的振动，塔架的倾斜，塔架的广义共振，塔架连接部件的松动，塔架疲劳的分析诊断及处理，如附图1‐1。

其中：所述传感器组1，包括加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2，极坐标传感器JJ，其中，安装在塔架3上层、按照东南西北地理坐标设置，使敏感塔架整体在南北方向振动的加速度传感器NN1与东西方向振动的加速度传感器EE1，以及使敏感塔架绕其对称中心O显现扭转振动的加速度传感器NN2、EE2，和检测外作用Y方向相对塔架东西方向并以东方为参考之角度的极坐标传感器JJ；敏感东西、南北横向振动的加速度传感器EE1、NN1和敏感扭转振动加速度传感器EE2、NN2与塔架对称中心O等距离安装；敏感南北振动的加速度传感器NN1的敏感轴指向北方N，敏感东西方向振动的加速度传感器EE1的敏感轴指向东方E；敏感南北振动的加速度传感器NN1与敏感扭转振动的加速度传感器NN2安装在同一位置，敏感东西振动的加速度传感器EE1与敏感扭转振动的加速度传感器EE2安装在同一位置；并且敏感扭转振动的加速度传感器EE2的敏感轴指向加速度传感器EE1安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的反时针切线方向，敏感扭转振动的加速度传感器NN2的敏感轴则指向加速度传感器NN1安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的顺时针切线方向。

其中：所述故障信息处理器2含有AD接口21，还含有由微处理器运行的分析诊断系统22，和分离运算器23；加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2及受力方向的极坐标角J信号，分别为加速度传感器NN1、加速度传感器NN2、加速度传感器EE1、加速度传感器EE2，和极坐标传感器JJ的输出信号；AD接口21有8个输入端AN1、AN2、AE1、AE2、AJ，ANZ、An1、Ae1；传感器组1，包括加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2，极坐标传感器JJ；其中，加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2输出的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2，输入连接到故障信息处理器2所包括的AD接口21的输入端AN1、AN2、AE1、AE2，同时送入故障信息处理器2所包括的分离运算器23的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，分离运算器23的输出端CNZ和Cn1、Ce1对应地输出振幅信号的扭振信号NZ和振幅信号的横向振动n1、e1，分离运算器23输出的振幅信号的扭振信号NZ和振幅信号的横向振动n1、e1，对应地输入到AD接口21的输入端ANZ、An1、Ae1；同时，传感器组1所包括的极坐标传感器JJ，输出的极坐标角J信号，直接接入故障信息处理器2所包括的AD接口21的输入端AJ；并对AD接口21输出的加速度信号NA1、NA2、EA1、EA2、受力方向的极坐标角JA信号由故障信息处理器2的分析诊断系统22中的软件按照公式(1)：

NZ=((NA2-EA1)-(EA2-NA1))/2 （1）

计算塔架相对于其对称中心O的振幅信号的扭振信号NZ；

按照公式(2)：n1=NA1+EA2+NZ和公式(3)：e1=EA1+NA2-NZ

计算塔架整体真实的振幅信号的横向振动n1、e1；

按照公式(4)：y=e1 cosJA+n1 sinJA （4）

计算塔架横向振动在受力方向Y轴的振动分量y；

按照公式(5)：p=e1 sinJA+n1 cosJA

计算塔架横向振动在Y轴的正交方向即X轴方向的振动分量p；

并且根据加速度传感器NN1、NN2输出的加速度信号N1、加速度信号N2，及计算式：F=tg^-1(NA1/NA2) (6-1)：，

或根据加速度传感器EE1、EE2输出的加速度信号E1、加速度信号E2及计算式：F=tg^-1(EA2/EA1) （6-2），计算获取塔架倾斜的主方位角F；

根据加速度传感器NN1、NN2输出的加速度信号N1、加速度信号N2，及计算式：Q=sin^-1((2NA1NA2sin2F)^0.5/g) (7-1)，或根据加速度传感器EE1、EE2输出的加速度信号E1、加速度信号E2及计算式：Q=sin^-1((2EA1EA2sin2F)^0.5/g) (7-2)，获得塔架倾斜的主倾斜角Q。

式中g为重力加速度。

所述故障信息处理器2还含有实现相对地理坐标北方N、东方E的北方N轴方向的振动加速度Jn1、东方E轴方向的振动加速度Je1以及相对塔架对称中心的垂直线的扭转振动加速度JNZ，并将对应的扭转振动加速度信号JNZ、N轴方向的振动加速度Jn1、E轴方向的振动加速度Je1运算为振幅的分离运算器23；如附图3和附图4。

图3中：AD接口21的8个输入端为AN1、AN2、AE1、AE2、AJ，ANZ、An1、Ae1，传感器组1包括加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2和极坐标传感器JJ，其中，加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2输出的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2，输入连接到故障信息处理器2所包括的AD接口21的输入端AN1、AN2、AE1、AE2，同时送入故障信息处理器2所包括的分离运算器23的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，分离运算器23的输出端CNZ、Cn1、Ce1对应地输出振幅信号的扭振信号NZ和振幅信号的横向振动n1、e1。分离运算器23输出的振幅信号的扭振信号NZ和振幅信号的横向振动n1、e1，对应地输入到AD接口21的输入端ANZ、An1、Ae1；同时，传感器组1所包括的极坐标传感器JJ输出的极坐标角J信号，直接接入故障信息处理器2所包括的AD接口21的输入端AJ。

图4中，加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2对应的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2，分别对应地输入第一运算器31的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，第一运算器31的输出端BJNZ输出的扭转振动加速度JNZ与第一重积分器34的输入端BJNZ相连，第一重积分器34的输出端CNZ，输出振幅信号的扭振信号NZ，第一运算器31的扭转振动加速度JNZ运算式为：JNZ=[(N2-E1)-(E2-N1)]/2。

加速度传感器NN1、EE2对应的加速度信号N1、加速度信号E2，分别对应地输入第二运算器32的输入端BN1、BE2，第一运算器31的输出端BJNZ的输出信号扭转振动加速度JNZ，与第一重积分器34的输入端BJNZ相连的同时，也接入第二运算器32的输入端BJNZ，和第三运算器33的输入端BJNZ，第二运算器32的输出端BJn1的输出信号Jn1接到第二重积分器35的输入端BJn1，第二重积分器35的输出端Cn1输出振幅信号的横向振动n1，接到AD接口21的An1输入端，第二运算器32的横向振动Jn1运算式为:Jn1=N1+E2+JNZ；

加速度传感器NN2、EE1对应的加速度信号N2、加速度信号E1，分别对应地输入第三运算器33的输入端BN2、BE1，第一运算器31的输出端BJNZ的输出信号JNZ，也送入第三运算器33的输入端BJNZ，第三运算器33的输出端BJe1，输出信号Je1接到第三重积分器36的输入端BJe1，第三重积分器36的输出端Ce1输出振幅信号的横向振动e1，第三运算器33的横向振动Je1运算式为:Je1=N2+E1-JNZ。

所述故障信息处理器2所含的分离运算器23，把加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2输出的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2，分别对应地输入连接到分离运算器23的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，分离运算器23的输出端CNZ，Cn1、Ce1，对应的输出相对塔架对称中心的垂直线的扭转振动加速度振幅信号的扭振信号NZ，相对地理坐标南北方向即N轴方向的振动加速度振幅信号的横向振动n1、相对地理坐标东西方向即E轴方向的振动加速度振幅信号的横向振动e1；分离运算器输出的振幅信号JNZ、Jn1、Je1分离运算器23输出的振幅信号的扭振信号NZ，振幅信号的横向振动n1、e1，对应的输入接到故障信息处理器的AD接口21对应的ANZ、An1、Ae1信号输入端；AD接口21将采集得到的信息NA1、NA2、EA1、EA2、JA、n1、e1、NZ送到分析诊断系统22进行故障诊断。

所述分离运算器23含有第一运算器31、第二运算器32、第三运算器33和第一重积分器34、第二重积分器35、第三重积分器36，加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2，对应的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2，分别对应地输入第一运算器31的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，第一运算器31的输出端BJNZ输出的扭转振动加速度JNZ与第一重积分器34的输入端BJNZ相连，第一重积分器34的输出端CNZ输出振幅信号的扭振信号NZ，第一运算器31的扭转振动加速度JNZ运算式为：

JNZ=[(N2-E1)-(E2-N1)]/2；

加速度传感器NN1、EE2，对应的加速度信号N1、加速度信号E2，分别对应地输入第二运算器32的输入端BN1、BE2，第一运算器31的输出端BJNZ的输出信号扭转振动加速度JNZ，与第一重积分器34的输入端BJNZ相连的同时，也接入第二运算器32的输入端BJNZ，和第三运算器33的输入端BJNZ，第二运算器32的输出端BJn1的输出信号N轴方向的振动加速度横向振动Jn1接到第二重积分器35的输入端BJn1，第二重积分器35的输出端Cn1输出振幅信号的横向振动n1，第二运算器32的N轴方向的振动加速度横向振动Jn1运算式为:

Jn1=N1+E2+JNZ；

加速度传感器NN2、EE1，对应的加速度信号N2、加速度信号E1，分别对应地输入第三运算器33的输入端BN2、BE1，第一运算器31的输出端BJNZ的输出信号JNZ，也送入第三运算器33的输入端BJNZ，第三运算器33的输出端BJe1，输出信号E轴方向的振动加速度横向振动Je1接到第三重积分器36的输入端BJe1，第三重积分器36的输出端Ce1，输出振幅信号的横向振动e1，第三运算器33的E轴方向的振动加速度横向振动Je1运算式为:

Je1=N2+E1-JNZ；

按照扭转振动加速度JNZ的计算公式JNZ=((N2‐E1)‐(E2‐N1))/2设计的第一运算器31，含有运放OP1‐1～运放OP1‐3、电阻器R1～电阻器R10，其中电阻器R1=电阻器R2=2·电阻器R3，电阻器R4=电阻器R5=2·电阻器R6，电阻器R7=电阻器R8，电阻器R9=电阻器R10；并且加速度信号N1接到电阻器R1的一端，电阻器R1的另一端接运放OP1‐1的负输入端，加速度信号N2接电阻器R2的一端，电阻器R2的另一端接运放OP1‐1的负输入端，运放OP1‐1的输出端与负输入端之间接电阻器R3，运放OP1‐1的正输入端接地，运放OP1‐1的输出为‐(N1+N2)/2；加速度信号E1接到电阻器R4的一端，电阻器R4的另一端接运放OP1‐2的负输入端，加速度信号E2接电阻器R5的一端，电阻器R5的另一端接运放OP1‐2的负输入端，运放OP1‐2的输出端与负输入端之间接电阻器R6，运放OP1‐2的正输入端接地，运放OP1‐2的输出为‐(E1+E2)/2；运放OP1‐1的输出端将信号‐(N1+N2)/2经过电阻器R7接到运放OP1‐3的负输入端，运放OP1‐3的负输入端与输出端之间接电阻器R8，运放OP1‐2的输出端将‐(E1+E2)/2信号接到电阻器R9的一端，电阻器R9的另一端接运放OP1‐3的正输入端，运放OP1‐3的正输入端与地之间接电阻器R10，运放OP1‐3的输出为扭转振动加速度JNZ：

(N1+N2)/2‐(E1+E2)/2=((N2‐E2)‐(E2‐N1))/2=JNZ，（如附图5‐1）；

按照N轴方向的振动加速度Jn1的计算公式Jn1=N1+E2+JNZ设计的第二运算器32含运放OP1‐4、运放OP2‐4、电阻器R11～R16，加速度信号N1接电阻器R11的一端，电阻器R11的另一端接运放OP1‐4的负输入端，加速度信号E1接电阻器R12的一端，电阻器R12的另一端接运放OP1‐4的负输入端，信号扭转振动加速度JNZ接电阻器R13的一端，电阻器R13的另一端接运放OP1‐4的负输入端，运放OP1‐4的正输入端接地，运放OP1‐4的负输入端与输出端之间接电阻器R14，运放OP1‐4的输出端经过电阻器R15接运放OP2‐4的负输入端，运放OP2‐4的正输入端接地，运放OP2‐4的负输入端与输出端之间接电阻器R16，运放OP2‐4的输出即是N轴方向的振动加速度Jn1:Jn1=N1+E1+JNZ，所有运放的正电源端接正电源V+，负电源端接负电源V‐，如附图5‐2；

按照E轴方向的振动加速度Je1的计算公式Je1=E1+N2‐JNZ设计的第三运算器33含有运放OP2‐1～运放OP2‐3、电阻器R17～R25，加速度信号E1接电阻器R17的一端，电阻器R17的另一端接运放OP2‐1的负输入端，加速度信号N1接电阻器R18的一端，电阻器R18的另一端接运放OP2‐1的负输入端，运放OP2‐1的正输入端接地，在运放OP2‐1的负输入端与输出端之间接电阻器R19，运放OP2‐1的输出即是‐(E1+N1)；信号扭转振动加速度JNZ接电阻器R20的一端，电阻器R20的另一端接运放OP2‐2的负输入端，运放OP2‐2的正输入端接地，在运放OP2‐2的负输入端与输出端之间接电阻器R21，运放OP2‐2的输出即是‐扭转振动加速度JNZ，该‐扭转振动加速度JNZ信号接电阻器R24的一端，电阻器R24的另一端接运放OP2‐3的正输入端，运放OP2‐3的正输入端还经过电阻器R25接地，信号‐(E1+N1)接电阻器R22的一端，电阻器R22的另一端接运放OP2‐3的负输入端，运放OP2‐3的负输入端与输出端之间接电阻器R23，所以，运放OP2‐3的输出信号即是E轴方向的振动加速度Je1：E1+N1‐JNZ=Je1，所有运放的正电源端接正电源V+，负电源端接负电源V‐，如附图5‐3。

所述第一重积分器34、第二重积分器35、第三重积分器36各由两级相同的、基于二阶双二次带通滤波器结构的单积分器级联组成，如附图6，其每一级二阶双二次带通滤波器含有电阻器R1～R6，电容器C1、C2，运放OP1～运放OP3，其中第一级的加速度输入信号为扭转振动加速度JNZ，或N轴方向的振动加速度Jn1，或E轴方向的振动加速度Je1，接到电阻器R26，电阻器R26的另一端接OP2的负输入端，运放OP2的负输入端还经过并联的电阻器R27、第二电容器C1接其输出端，运放OP2的正输入端接地；运放OP2的输出端经过电阻器R29接运放OP3的负输入端，运放OP3的负输入端与输出端之间接电阻器R30，运放OP3的正输入端接地；运放OP3的输出端经电阻器R28接运放OP1的负输入端，运放OP1的负输入端与输出端之间接第二电容器C2，运放OP3的正输入端接地；由运放OP3或运放OP2的输出端输出的是同相或反相的准速度信号；第二级积分器的输入电阻器R1接第一积分器输出的准速度信号，从运放OP3或运放OP2的输出端输出同相或反相的表征振幅输出信号的扭振信号NZ，或横向振动n1，或横向振动e1；电路中电阻器R4=R5可以是任意合适的电阻值，电容器C1=C2，所有运放的正电源端接正电源V+，所有运放的负电源端接负电源V‐；每一级二阶双二次带通滤波器结构的单积分器的谐振频率F0为所需积分运算的下限频率FT的1/3～1/5，最佳取值为1/4，积分器对于下限频率FT以上频率的信号的传输系数原则上为每倍频程衰减6.02dB。

用示波器部分取代故障信息处理器2，把分离运算器23输出的表征塔架东西方向振动即E轴方向的振动加速度横向振动Je1或加速度传感器EE1输出的加速度信号E1接到示波器的X轴，X轴代表东方；把分离运算器23输出的表征塔架南北方向振动的即N轴方向的振动加速度横向振动Jn1，或加速度传感器NN1输出的加速度信号N1接到示波器的Y轴，Y轴代表北方；则在塔架发生振动时，示波器实时绘制塔架塔心的运动振幅或准加速度轨迹。

当使用故障信息处理器2实时采集加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2输出的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2、极坐标传感器JJ输出的极坐标角J、AD接口21输出的信号振幅信号的横向振动n1、e1、振幅信号的扭振信号NZ，用分析诊断系统22不仅实时绘制塔心轨迹，还绘制塔体扭振轨迹，其特征还在于:通过对于振幅信号的横向振动n1、e1、Y轴的振动分量y、X轴方向的振动分量p、倾斜的主倾斜角Q信号的逐时间段的FFT分析，不仅识别风轮不平衡引起的强迫振动分量的幅度，还识别由于阵风等随机因素激发的塔架的广义共振频率，从而识别塔架系统的固有频率的漂移，进而实现对塔架潜在刚度下降等隐患的诊断，还实时修正原本以为固定不变的固有频率数据，为防止等于转速频率的不平衡振动以及等于转速3倍频率的叶片通过频率振动等于变化了的固有频率合拍共振提供了控制根据。

对于风力发电机检测分离的振动信号横向振动n1、e1、振动分量y、p、扭振信号NZ的故障诊断报警限制值按照下述方法：

设加速度传感器安装位置距地面的高度为h[m]，加速度传感器距离塔架的旋转中心或对称中心的半径为R[m]，转速频率为FZ0，

则在时间T1=10/FZ0内所述横向振动n1、e1、振动分量y、p的每次振动幅度峰值超过限制值XH=0.5hk/50=0.01hk[m]则报警；k为无量纲修正系数，取值范围0.5～2；最佳为k=1。

则在时间T1=10/FZ0内所述振幅信号的扭振信号NZ的每次扭振幅度峰值超过限制值：XN=0.1hRu/(50*1.5)=0.0013hRu[m]则报警。u为修正系数，量纲[1/m]，取值范围0.5～2；最佳为u=1。

主倾斜角Q的稳定值(1分钟平均值)超过限制值：XQ=10hv/50=0.2hv

则报警。v为修正系数，量纲

取值范围0.5～2，最佳为v=1。

诊断软件根据分离的主方位角F和主倾斜角Q的稳定分量识别塔架稳态基础的倾向性松动或塔身刚度的变异；根据主倾斜角Q的交变分量，或/和根据所述横向振动n1、e1的交变分量，进行频谱分析，识别塔架的横向固有频率、并据该固有频率的漂移以及振动的非线性特征识别塔架的疲劳及连接件的间隙性局部松动等故障。

原则上，根据NN1、NN2和EE1、EE2两组加速度传感器的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2的测定结果，和式(6‐1)、(6‐2)以及式(7‐1)、(7‐2)计算的主方位角F和主倾斜角Q的稳定分量比较，如果相差甚远，则判断其中一个加速度传感器有如安装松动或者失效故障，藉以对检测加速度传感器的自身故障实现自我诊断；并根据加速度传感器直接输出的稳定加速度信号分量之加速度信号N1、加速度信号E2和加速度信号N2、加速度信号E1计算的塔架南北、东西方向的倾斜之是否基本相等，和是否超出了塔架最大可能倾斜的范围，而识别加速度传感器的故障；识别固定的塔架的横向振动e1、n1与塔架上安装的可以绕塔架对称中心旋转的载体主轴或者受力方向的，以及与该方向正交的方向的振动分量y、p，识别受力方向或载体主轴方向的振动因素，如风力发电机的高低空或/和左右风速差异引起的、叶轮不平衡引起的、叶片通过塔架前方气动激振引起的振动和扭振，进行全面的故障诊断。

通过传感器组1获取的输电塔的输电线振动传递到电塔的信号的FFT分析，识别电缆受风摩擦产生的广义共振频率的变化，诊断电缆负重时张力的变化、电缆拉伸、电缆断裂、电缆出现新支点等故障。

根据以上技术方案提出的这种机械塔架故障诊断方法，由于采用多组设于特定位置的加速度传感器监控运行状态下的塔架动态状况，因此不仅能掌握塔架沿地理坐标方向的塔架所受的振动位移，而且还能有效地监测由于环境因素引起的扭转振动和塔体自身地基等因素引起的变化所带来的众多影响。同时又针对上述变化因素通过与加速度传感器配套的故障信息处理器，在保证塔架正常工作的范围内及时报警。这对于保证塔架的使用安全和提高使用寿命提供了技术支持。

附图说明

图1‐1为机械塔架故障诊断装置原理框图；

图1‐2为机械塔架故障诊断装置结构示意图；

图1‐3为传感器组安装位置示意图；

图2‐1、2‐2为主倾斜角合成的反演分析图；

图3为含分离运算器的机械塔架故障诊断装置结构示意图；

图4为分离运算电路框图；

图5‐1～5‐3为分离运算电路31～33的具体电路方案；

图6为振动加速度(量纲：m/s2)信号运算为振动振幅(量纲：m)的电路图；

图7为重积分器对0.5Hz加速度准确积分输出振幅信号的仿真示意图；

图8为重积分器传输特性测试图；

图9‐1～9‐8为用差动电位计测量风力发电机受力方向(主轴方向)相对于东方的极坐标角J示意图；

图10‐1～10‐3为风力发电机主轴指向北方时，发生各种振动情况的塔心轨迹图

图11为扭振轨迹图；

图12‐1～12‐2为0.15Hz强迫振动分量与塔架0.396Hz的固有频率广义共振的信息对应示意图；

图13‐1～13‐8为一个从启动到定速运转过程，系统出的共振和阵风激励的广义共振的对应图。

具体实施方式

实施例1：

这种机械塔架故障诊断方法，含有传感器组1，故障信息处理器2，传感器组1含有安装在塔架上层，按照地理坐标(东南西北)敏感塔架整体南北方向振动的加速度传感器NN1和东西方向振动的加速度传感器EE1，和敏感塔架绕其对称中心O扭转振动的加速度传感器NN2、EE2，还含有检测外作用Y方向相对塔架东西方向并以东方为参考之极坐标传感器JJ；故障信息处理器2含有AD接口21和分析诊断系统(软件)22；传感器输出加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2、及受力方向的极坐标角J信号分别接到故障信息处理器2的AD接口21的输入端AN1、AN2、AE1、AE2、AJ，由故障信息处理器的分析诊断系统22的软件按照下述公式计算所需的：

则塔架相对于全对称中心O的扭振信号NZ：

NZ=((N2‐E1)‐(E2‐N1))/2 (1)

顺时钟方向为正。

塔架整体真实的横向振动n1、e1：

n1=N1+E2+NZ (2)

e1=E1+N2‐NZ (3)

塔架横向振动在受力方向Y轴的振动分量y：

y=e1 cosJ+n1 sinJ (4)

塔架横向振动在Y轴的正交方向即X轴方向(亦即与Y垂直向右)的振动分量p：

p=e1 sinJ+n1 cosJ (5)

塔架的倾斜的主方位角F：

根据加速度传感器的加速度信号N1、加速度信号N2：

F=tg^‐1(N1/N2) (6‐1)

或根据加速度传感器的加速度信号E1、加速度信号E2：

F=tg^‐1(E2/E1) (6‐2)

塔架的倾斜的主倾斜角Q：

根据加速度传感器的加速度信号N1、加速度信号N2：

Q=sin^‐1((2N1N2sin2F)^0.5/g) (7‐1)

或根据加速度传感器的加速度信号E1、加速度信号E2：

Q=sin^‐1((2E1E2sin2F)^0.5/g) (7‐2)

式中g为重力加速度。

其特征在于还含有实现相对地理坐标北方N，东方E的北方N轴方向的振动加速度Jn1、东方E轴方向的振动加速度Je1，以及相对塔架对称中心的垂直线的扭转振动加速度JNZ分离的，并将对应的加速度信号扭转振动加速度JNZ、N轴方向的振动加速度Jn1、E轴方向的振动加速度Je1运算为振幅的分离运算器23，加速度传感器信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2接到分离运算器23的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，分离运算器23输出的振幅信号扭振信号NZ，横向振动n1、e1接到故障信息处理器2的AD接口21对应的ANZ、An1、Ae1信号输入端。AD接口21将采集得到的信息NA1、NA2、EA1、EA2、JA、n1、e1、NZ送到分析诊断系统22进行故障诊断。

为了简化故障信息处理器实时计算的工作量和机时矛盾，应当尽可能把部分运算用专用硬件实现，其特征还在于加速度传感器的输出的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2还接到分离运算器23的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，分离运算器23分离后的信号横向振动n1、e1、扭振信号NZ分别接到故障信息处理器2的AD接口21的输入端An1、Ae1、ANZ，AD接口21将采集得到的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2、极坐标角J、横向振动n1、e1、扭振信号NZ送到分析诊断系统22进行故障诊断，(见附图3)。

附图4为一种可用于风力发电机塔架横向振动与扭转振动测量的分离运算电路框图，由于塔架振动含有许多随机发生的甚低频振动，而且每一次振动可能都有别于其他次振动，不能沿用对于高速旋转机械振动信号处理的、对许多次振动信号进行统计的方法来处理，而需要针对几乎每一瞬时的振动信息作立即决策；为了提高运算的实时性，减小故障信息处理器因上述原因需要对AD采样数据流进行实时运算的工作量、机时开销和防止因此而影响数据处理的实时性，而特别设计了分离运算器23。分离运算器23中含有扭转振动加速度JNZ=((N2‐E1)‐(E2‐N1))/2第一运算器31，N方向振动加速度Jn1=N1+E2+JNZ第二运算器32，E方向振动加速度Je1=E1+N2‐JNZ第三运算器33，以及对扭转振动加速度JNZ、振动加速度Jn1、振动加速度Je1对应的加速度振动信号运算为振幅信号的第一重积分器34、第二重积分器35、第三重积分器36；加速度传感器的输出信号加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2接到JNZ=((N2‐E1)‐(E2‐N1))/2第一运算器31的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，第一运算器31的输出端BJNZ接到第一重积分器34的输入端BJNZ，第一重积分器34的输出端CNZ输出振幅信号的扭振信号NZ接到AD接口21的输入端BJNZ；加速度传感器输出加速度信号N1、加速度信号E2接到振动加速度Jn1=N1+E2+JNZ第二运算器32的输入端BN1、BE2，第一运算器31的输出端BJNZ接到第二运算器32的输入端BJNZ，第二运算器32的输出端BJn1的输出信号振动加速度Jn1接到第二重积分器35的输入端BJn1，第二重积分器35的输出端Cn1输出的振幅信号的横向振动n1接到AD接口21的输入端An1；加速度传感器输出的加速度信号N2、加速度信号E1接到振动加速度Je1=E1+N2‐JNZ第三运算器33的输入端BN2、BE1，第一运算器31的输出端BJNZ接到第三运算器33的输入端BJNZ，第三运算器33的输出端BJe1输出的Je1信号接到第三重积分器36的输入端BJe1，第三重积分器36的输出端Ce1输出振幅信号的横向振动e1接到AD接口21的输入端Ae1，(见附图4)。

分离运算电路第一运算器31、第二运算器32、第三运算器33的具体电路方案，旨在实现扭转振动加速度JNZ=((N2‐E1)‐(E2‐N1))/2，振动加速度Jn1=N1+E2+JNZ，振动加速度Je1=E1+N2‐JNZ等运算。

扭转振动加速度JNZ=((N2‐E1)‐(E2‐N1))/2运算电路含有运放OP1‐1～运放OP1‐3、电阻器R1～电阻器R10，如附图5‐1，其中电阻器R1=电阻器R2=2·电阻器R3，电阻器R4=电阻器R5=2·电阻器R6，电阻器R7=电阻器R8，电阻器R9=电阻器R10，特别是加速度信号N1接到电阻器R1的一端，电阻器R1的另一端接运放OP1‐1的负输入端，加速度信号N2接电阻器R2的一端，电阻器R2的另一端接运放OP1‐1的负输入端，运放OP1‐1的输出端与负输入端之间接电阻器R3，运放OP1‐1的正输入端接地，运放OP1‐1的输出为‐(N1+N2)/2；加速度信号E1接到电阻器R4的一端，电阻器R4的另一端接运放OP1‐2的负输入端，加速度信号E2接电阻器R5的一端，R5的另一端接运放OP1‐2的负输入端，运放OP1‐2的输出端与负输入端之间接电阻器R6，运放OP1‐2的正输入端接地，运放OP1‐2的输出为‐(E1+E2)/2；运放OP1‐1的输出端将信号‐(N1+N2)/2接到运放OP1‐3的负输入端，运放OP1‐3的负输入端与输出端之间接电阻器R8，OP1‐2的输出端将‐(E1+E2)/2信号接到电阻器R9的一端，电阻器R9的另一端接运放OP1‐3的正输入端，运放OP1‐3的正输入端与地之间接电阻器R10，运放OP1‐3的输出为扭转振动加速度JNZ：

(N1+N2)/2‐(E1+E2)/2=((N2‐E2)‐(E2‐N1))/2=JNZ；

N轴方向的振动加速度Jn1=N1+E2+JNZ运算器32含运放OP1‐4、运放OP2‐4、电阻器R11～电阻器R16，如附图5‐2，加速度信号N1接电阻器R11的一端，电阻器R11的另一端接运放OP1‐4的负输入端，加速度信号E1接电阻器R12的一端，电阻器R12的另一端接运放OP1‐4的另一端，扭转振动加速度JNZ接电阻器R13的一端，电阻器R13的另一端接运放OP1‐4的负输入端，运放OP1‐4的正输入端接地，运放OP1‐4的负输入端与输出端之间接电阻器R14，运放OP1‐4的输出端经过电阻器R15接运放OP2‐4的负输入端，运放OP2‐4的正输入端接地，运放OP2‐4的负输入端与输出端之间接电阻R16，运放OP2‐4的输出即是N轴方向的振动加速度Jn1=N1+E1+JNZ；

E轴方向的振动加速度Je1=E1+N2‐JNZ运算器33含有运放OP2‐1～运放OP2‐3、电阻器R17～电阻器R25，如附图5‐3，加速度信号E1接电阻器R17的一端，电阻器R17的另一端接运放OP2‐1的负输入端，加速度信号N1接电阻器R18的一端，电阻器R18的另一端接运放OP2‐1的负输入端，运放OP2‐1的正输入端接地，在运放OP2‐1的负输入端与输出端之间接电阻器R19，运放OP2‐1的输出即是‐(E1+N1)；信号扭转振动加速度JNZ接电阻器R20的一端，电阻器R20的另一端接运放OP2‐2的负输入端，运放OP2‐2的正输入端接地，在运放OP2‐2的负输入端与输出端之间接电阻器R21，运放OP2‐2的输出即是‐扭转振动加速度JNZ，该‐扭转振动加速度JNZ信号接电阻器R24的一端，电阻器R24的另一端接运放OP2‐3的正输入端，运放OP2‐2的正输入端还经过电阻器R25接地，信号‐(E1+N1)接电阻器R22的一端，电阻器R22的另一端接运放OP2‐3的负输入端，运放OP2‐3的负输入端与输出端之间接电阻器R23，所以，运放OP2‐3的输出信号即是E轴方向的振动加速度Je1：E1+N1‐JNZ=Je1，所有运放的正电源端接正电源V+，负电源端接负电源V‐。

振动加速度(量纲：m/s2)信号运算为振动振幅(量纲：m)的电路，重积分器34、35、36各由两级相同的、基于二阶双二次带通滤波器结构的单积分器级联组成，其每一级二阶双二次带通滤波器含有电阻器R1～电阻器R6，电容器C1、电容器C2，运放OP1～运放OP3，如附图6，第一级的加速度输入信号扭转振动加速度JNZ或N轴方向的振动加速度Jn1、E轴方向的振动加速度Je1接电阻器R1，电阻器R1的另一端接运放OP2的负输入端，运放OP2的负输入端还经过并联的电阻器R2、电容器C1接其输出端，运放OP2的正输入端接地；运放OP2的输出端经过电阻器R4接运放OP3的负输入端，运放OP3的负输入端与输出端之间接电阻器R5，运放OP3的正输入端接地；运放OP3的输出端经电阻器R6接运放OP1的负输入端，运放OP1的负输入端与输出端之间接电容器C2，运放OP3的正输入端接地，运放OP3的输出端还经过电阻器R3接到运放OP1的负输入端；由运放OP3或运放OP2的输出端输出的是同相或反相的准速度信号；第二级积分器的输入电阻器R1接第一积分器输出的准速度信号，从运放OP3或运放OP2的输出端输出同相或反相的表征振幅的输出信号扭转振动加速度JNZ或振动加速度Jn1、Je1；电路中电阻器R4=电阻器R5可以是任意合适的电阻值，电容器C1=电容器C2，所有运放的正电源端接正电源V+，所有运放的负电源端接负电源V‐；每一级二阶双二次带通滤波器结构的单积分器的谐振频率F0为所需积分运算的下限频率FT的1/3～1/5，建议值为1/4，积分器对于FT以上频率的信号的传输系数原则上为每倍频程衰减6.02dB(见附图6、7、8)。

本重积分电路具有抗拒加速度信号中的直流分量以及超低频噪声的优点，特别是具有低频重积分精度高的优点。基于运动学，加速度信号a=Asin(2πf)t对应的振动幅度x，是a的重积分：

x=∫∫a dtdt=∫∫Asin(2πf)t dtdt=‐Asin(2πf)t/(2πf)²

对于正弦振动，则幅度计算简化为：

X=A/(2πf)²

设：正弦加速度的频率f=0.5Hz，加速度峰值A=1g，加速度信号灵敏度为SA=2V/g，由于1g=9810mm/s²，所以有振幅=1g/(2πf)²=994mm。设计振幅的灵敏度SX=5V/m，则有振幅输出=4.97V。附图7是重积器对0.5Hz振动加速度准确积分输出振幅信号的仿真图。

重积分器的函数X=A/(2πf)²对应的每倍频程传输比是：

E=[A/(2π2f)²]/A/(2πf)²=1/4

传输比的级差是：E_dB=20logE=‐12.0412

附图8的传输特性测试图证明：该重积分器有良好的重积分频率响应。

为了实现风力发电机的指向风力方向的主轴相对于东方的极坐标角J，用一个能够转动10圈的线性“测量”电位计P1与一个“平衡”电位计P2差动工作，如附图9‐1～9‐8，J1电位计用支撑在塔架上的支架固定，电位计的轴与风力发电机底座的、通过塔架中线的位置固定(为防止对中不良，可以使用柔性轴)，J1、J2电位计的两端并联，接到10V电源，电位计J1、J2的活动臂之间输出转角信号；安装时，J1电位计的轴旋转到1/2，即5圈，因为底座相对塔架的单向转角最大2.7圈，故绝不会有电位计转过头而损坏的可能性；然后在风机主轴指向东方时，调节平衡电位计J2，使J1、J2的差动输出为零；则在底座相对塔架每转动一周时，两个电位计相对转动为1圈；因电位计供给10V直流电压，则每转动一周，即360度，差动输出电压为1V。附图9‐1～9‐8分析了测量电位计正转2.7圈和反转2.7圈的差动输出数据，表明该差动输出数据VM1相对于极坐标角J的函数是：

单位是伏特(V)，J=VM1/360

实施例2，一种把故障信息处理器2或者其中的AD接口21及分析诊断系统22简化为示波器实时直接观察塔架振幅的塔心轨迹方案。

其特征是用示波器部分取代故障信息处理器，把分离运算器23输出的表征塔架东西方向振动的信号横向振动e1或加速度信号E1接到示波器的X轴，X轴代表东方；把分离运算器23输出的表征塔架南北方向振动的信号横向振动n1或加速度信号N1接到示波器的Y轴，Y轴代表北方；则在塔架发生振动时，示波器实时绘制塔架塔心的运动振幅或准加速度轨迹。例如及时显示了某转速时叶片通过风力发电机塔架前方的气动激振力引发塔架共振的危险状况，(见如附图10‐1～10‐3)。

实施例3，一种塔架故障诊断方法，当使用故障信息处理器实时采集加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2、极坐标角J、横向振动n1、e1、扭振信号NZ，用分析诊断系统22不仅实时绘制塔心轨迹如附图10‐1～10‐3，(其中图10‐1表示的是横向振动n1为N波形、横向振动e1为E波形，振幅为0.1m并且频率相同，相位差90度，此时塔心轨迹为一直径等于0.2m的圆。图10‐2表示的是横向振动n1为N波形、横向振动e1为E波形，振幅为0.1m，南北振动频率为东西振动频率的3倍，受到3片叶片通过激振时，此时塔心轨迹为一0.2m的三扭线。图10‐3表示的是横向振动n1为N波形、横向振动e1为E波形，振幅为0.1m，南北振动频率为东西振动频率的3倍，受3片叶片通过激振并共振，南北幅度为东西振动的10倍，此时塔心轨迹为南北长2m东西长0.2m的三扭线)。还绘制塔体扭振轨迹如附图11，其特征在于还通过对于横向振动n1、e1、振动分量y、p信号的逐时间段的FFT分析，不仅识别风轮不平衡引起的强迫振动分量的幅度，还识别由于阵风等随机因素激发的塔架的广义共振频率，从而识别塔架系统的固有频率的漂移，进而实现对塔架潜在隐患(刚度下降)的诊断，还实时修正原本以为固定不变的固有频率数据，为防止等于转速频率的不平衡振动以及等于转速3倍频率的叶片通过频率振动等于变化了的固有频率合拍共振提供了控制根据。

附图12‐1～12‐2所示的，是在塔架受到0.15Hz的转子不平衡强迫振动时，因为偶然的阵风对塔架的激励，引起振动波形扰动，被本方法分析得到当时的0.15Hz强迫振动分量与塔架0.396Hz的固有频率广义共振的信息。图13‐1～13‐8则表明一个从启动到定速运转过程，系统出现叶片通过塔前激振频率的共振、叶轮不平衡的共振和定转速运转时遇到阵风激励的两次广义共振，本发明的分析诊断系统22通过截获不同时段振动信号作FFT分析，识别了广义共振频率约0.4Hz，证明系统一阶固有频率约0.4Hz。

实施例4，对于风力发电机塔架振动报警的限制值。

对于风力发电机检测分离的横向振动n1、e1、振动分量y、p、扭振信号NZ的故障诊断报警限制值按照下述方法：

则在时间T1=10/FZ0内所述横向振动n1、e1、振动分量y、p的每次振动幅度峰值超过限制值XH：

XH=0.5hk/50=0.01hk[m]则报警；k为无量纲修正系数，取值范围0.5～2；

例如k=1，则50m高塔架横向振幅报警限制值为大于500mm。

则在时间T1=10/FZ0内所述扭振信号NZ的每次扭振幅度峰值超过限制值XN：

XN=0.1hRu/(50*1.5)=0.0013hRu[m]则报警。u为修正系数，量纲[1/m]，取值范围0.5～2；例如u=1，则50m高半径1.5m处塔架扭振振幅报警限制值为大于100mm。

主倾斜角Q的稳定值(1分钟平均值)超过限制值XQ：

则报警。v为修正系数，量纲

取值范围0.5～2，例如v=1。

例如50m高塔塔架主倾斜角Q报警限制值为大于10°。

实施例5，一种输电塔架冰冻灾害识别方法。

本发明用于输电塔检测诊断，在输电塔因为冻雨结冰或电缆结冰而增大了塔体系统负载的质量M时，因为冰雪不能增强塔体的刚度K，根据机械系统固有频率规律f0=(K/M)^0.5/(2π)，阵风引起的塔体横向和/或扭转广义共振频率fg(近似于固有频率f0)就发生向下变化，例如fg相对原有正常条件下的值下降到90%，则表明塔体负重增加到了1/0.9²=1.235倍，或者刚度下降到了81%；设定塔架负重上限或刚度下限，就可以计算出广义共振频率变化的限制值，本检测装置发现超值则发出警报，就可以在无人检查的条件下，及时发现危险，以便及时抢险排故，防止事故发生。

实施例6，输电线路故障的诊断方法。

本发明对于电塔的输电电缆故障检测诊断，其特征在于通过传感器组1获取的输电塔的输电线振动传递到电塔的信号的FFT分析，识别电缆受风摩擦产生的广义共振频率的变化，诊断电缆负重时张力的变化、电缆拉伸、电缆断裂、电缆出现新支点等故障。

在电缆因为冻雨结冰而增大了电缆的张力时，风对于电缆的摩擦引起的电缆广义共振(如同琴弓的马尾摩擦琴弦的共振)频率ff就可能发生向上的较小变化(如同把琴弦拉得更紧则琴弦被摩擦振动的声调更高)，也可因为电缆被拉长而发生向下的较小变化(例如演奏时用手指改变琴弦的长度就能改变音调)；在一个三相三线制输电电塔的支点上两边共有6条电缆，传感器组1获取6条电缆的振动信号；对于传感器组1检测得到的电缆振动信号作FFT分析，获取实时的电缆振动频率漂移，计算电缆的状况；如果其他5条电缆都均有当时状况下的广义共振频率振动而有一条线的广义共振频率振动消失，则该电缆已经拉断；如果广义共振振动频率大幅度增高，则该电缆出现了新的支点，例如有外物倾倒在电缆上；诊断装置通过无线方式向管理机构报送上述信息，则可以快速确认故障部位(某一电塔)，而无须人工进行全线巡视排查。

在上述技术方案中NN1、NN2、EE1、EE2加速度传感器可以是归一化灵敏度的加速度传感器。

所述的NN1、NN2加速度传感器和EE1、EE2加速度传感器可以是将NN1、NN2组合为一体的双轴加速度传感器TN和将EE1、EE2组合为一体的双轴加速度传感器TE。例如，本发明人申请的一种同时检测水平振动和垂直振动与冲击的复合传感器专利技术，将其垂直轴指向北方和东方，将其水平轴指向切线方向。

所述的NN1、NN2加速度传感器和EE1、EE2加速度传感器，可以是一种测量频率可以达到0的变电容加速度传感器。例如，使用市售的SCA‐1000传感器芯片制造的双轴传感器。

本发明的上述公式推导如下：

设加速度传感器NN1、EE1、NN2、EE2的输出信号分别是加速度信号N1、加速度信号E1、加速度信号N2、加速度信号E2，则塔架相对于其对称中心O的扭转振动加速度JNZ的算式为：

JNZ=((N2‐E1)‐(E2‐N1))/2 (1)

顺时钟方向为正。该式考虑了NN2和EE2加速度传感器在敏感扭转振动的同时，还敏感了(EE1所敏感的)塔架东西方向的振动和(NN1所敏感的)南北方向的振动，NN1、EE1加速度传感器则没有敏感扭转振动。

塔架整体真实的N轴方向的振动加速度Jn1、E轴方向的振动加速度Je1算式是：

Jn1=N1+E2+JNZ (2)

Je1=E1+N2‐JNZ (3)

用二个加速度传感器NN1、EE2的数据运算获取N轴方向的振动加速度Jn1以提高数据的可靠性，但须剔除EE2所敏感的反向的扭振；用二个加速度传感器NN2、EE2的数据运算获取E轴方向的振动加速度Je1以提高数据的可靠性，但须剔除NN2所敏感的正向的扭振。前人的检测技术通常只设置一个传感器组如加速度传感器NN1、NN2或者加速度传感器EE1、EE2，并直接以加速度传感器NN1或加速度传感器EE2的数据表征南北振动、以加速度传感器EE1或加速度传感器NN2的数据表征东西振动，而又没有将传感器组的加速度传感器NN1、NN2和EE1、EE2安装在塔架的对称回转中心，因此检测结果往往存在错误，而失去必要的实用性。

诊断软件根据真实的横向振动n1、e1的交变分量进行波谱分析，识别塔架的横向固有频率、并据该固有频率的漂移以及振动的非线性特征识别塔架的疲劳及连接件的间隙性局部松动等故障。

在故障信息处理器中运算获取塔架横向振动在受力方向Y轴的振动分量y的算式是：

y=e1 cosJ+n1 sinJ (4)

获取塔架横向振动在Y轴的正交方向即X轴方向(亦即与Y垂直向右)的振动分量P的算式是：

P=e1 sinJ+n1 cosJ (5)

式中J为极坐标角。

传统检测技术由于没有设置极坐标传感器JJ，所以不能区分固定的塔架的振动e1、n1与塔架上安装的可以绕塔架对称中心旋转的载体主轴或者受力方向的以及与该方向正交的方向的振动分量y、p；由于本发明设置了极坐标角J的检测传感器极坐标传感器JJ，从而实现了区分固定的塔架的横向振动e1、n1与塔架上安装的可以绕塔架对称中心旋转的载体主轴或者受力方向的以及与该方向正交的方向的振动分量y、p，识别受力方向或载体主轴方向的振动因素，如风力发电机的高低空或/和左右风速差异引起的、叶轮不平衡引起的、叶片通过塔架前方气动激振引起的振动和扭振，实现全面的故障诊断。

如附图2‐1和附图2‐2，设加速度传感器NN1输出的加速度直流电压是加速度信号N1，加速度传感器NN2输出的加速度直流电压是加速度信号N2，加速度传感器NN2轴向东X，加速度传感器NN1轴向北Y，相对于东方的倾斜角度为主方位角F，相对于水平面的倾斜角度为主倾斜角Q：

若加速度传感器NN1轴主倾斜角Q1，则加速度传感器敏感到的重力加速度分量是加速度信号N1：N1=g sinQ1，

故可以计算主倾斜角Q1：Q1=sin^-1(N1/g)

若加速度传感器NN2轴主倾斜角Q2，则加速度传感器敏感到的重力加速度分量是加速度信号N2：N2=g sinQ2，

故可以计算主倾斜角Q2：Q2=sin^‐1(N2/g)

如附图2‐1和附图2‐2，设加速度传感器所在的以塔心为原点的圆之半径为R，塔架倾斜的主方位角F，最大主倾斜角Q。则可计算得到：

主对边高：ZD=RsinQ；Y对边高：YD=RsinF sinQ，X对边高：XD=Rcos FsinQ。

则Y倾角主倾斜角Q1：Q1=sin^‐1(YD/R)=sin^‐1(sinF sinQ) [1]

则X倾角主倾斜角Q2：Q2=sin^‐1(XD/R)=sin^‐1(cosF sinQ) [2]

反演算，由[1]、[2]式测定的Q1、Q2计算主方位角F和主倾斜角Q：

SinQ1=sinF sinQ [3]

SinQ2=cosF sinQ [4]

[3]/[4]得到：sin F/cosF=sinQ1/sinQ2=tgF

所以可根据加速度传感器NN1、NN2的加速度信号N1、加速度信号N2计算的主方位角F：

F=tg^‐1(sinQ1/sinQ2)=tg^‐1((N1/g)/(N2/g))

F=tg^‐1(N1/N2) (6‐1)

[3]*[4]得到：sinQ1*sinQ2=sin²Q*sinF*cosF=0.5sin²Q*sin2F

SinQ=(2sinQ1*sinQ2/sin2F)^0.5=(2*N1/g*N2/g/sin2F)^0.5=(2N1N2sin2F)^0.5/g

所以可根据加速度传感器NN1、NN2的加速度信号N1、加速度信号N2计算的主倾斜角Q：

Q=sin^‐1((2N1N2sin2F)^0.5/g) (7‐1)

根据加速度传感器EE1、EE2的加速度信号E1、加速度信号E2信息则有：

塔架的倾斜的主方位角F：

F=tg^‐1(E2/E1) (6‐2)

塔架的倾斜的主倾斜角Q：

Q=sin^‐1((2E1E2sin2F)^0.5/g) (7‐2)

原则上，根据NN1、NN2和EE1、EE2两组加速度传感器的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2测定结果和式(6‐1)、(6‐2)以及式(7‐1)、(7‐2)计算的结果是相同的。如果计算结果相近，则可以取两式结果的平均值作为结论。诊断软件根据分离的主方位角F和主倾斜角Q的稳定分量识别塔架稳态基础的倾向性松动或塔身刚度的变异，根据交变分量进行谱分析识别塔架的横向固有频率、并据该固有频率的漂移以及振动的非线性特征识别塔架的疲劳及连接件的间隙性局部松动等故障。

如果根据NN1、NN2和EE1、EE2两组加速度传感器的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2检测数据计算得到的两组塔架倾斜主方位角F和主倾斜角Q的稳定分量相差甚远，则可以判断其中一个加速度传感器可能有故障，如安装松动或者失效。还可以根据NN1、EE2和NN2、EE1加速度传感器直接输出的稳定加速度信号分量计算的塔架南北、东西方向的倾斜之是否基本相等和是否超出了塔架最大可能倾斜的范围而识别加速度传感器的故障。藉此可以对检测加速度传感器的自身故障实现自我诊断。

所述的检测外作用Y方向相对塔架东西方向并以东方为参考之极坐标传感器JJ可以是直接敏感外力作用方向如风向传感器，也可以是一种测定已经指向外作用力方向的机械与塔架基座之间夹角的间接敏感外力作用方向的传感器如转角传感器。

Claims

1.一种机械塔架故障诊断方法，其特征在于：含有包括振动或/和稳态加速度检测的传感器以及受力方向检测传感器的传感器组（1）、采集传感器组信号和对传感器组的信号进行处理、分析、诊断的故障信息处理器（2），把传感器组（1）检测的信号通过电缆传输给故障信息处理器（2），而有故障信息处理器（2）所含的AD接口（21）采集信号，或还经过故障信息处理器（2）所含分离运算器（23）处理后，再有AD接口（21）采集信号，交由故障信息处理器（2）所含分析诊断系统（22）的软件进行塔架的东西、南北方向和风机主轴方向、主轴横向及扭转方向的振动，塔架的倾斜，塔架的广义共振，塔架连接部件的松动，塔架疲劳的分析诊断及处理；

其中，所述传感器组（1），包括安装在塔架上层、按照东西南北地理坐标设置、使敏感塔架整体在南北方向振动的加速度传感器NN1、与使敏感东西方向振动的加速度传感器EE1，以及使敏感塔架绕其对称中心O显现扭转振动的加速度传感器NN2、EE2和检测外作用Y方向相对塔架东西方向并以东方为参考之极坐标的加速度传感器JJ；敏感东西、南北横向振动的加速度传感器EE1、NN1和敏感扭转振动的加速度传感器EE2、NN2与塔架对称中心O等距离安装；敏感南北振动的加速度传感器NN1的敏感轴指向北方N，敏感东西方向振动的加速度传感器EE1的敏感轴指向东方E；敏感南北振动的加速度传感器NN1与敏感扭转振动的加速度传感器NN2安装在同一位置，敏感东西振动的加速度传感器EE1与敏感扭转振动的加速度传感器EE2安装在同一位置；并且敏感扭转振动的加速度传感器EE2的敏感轴指向加速度传感器安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的反时针切线方向，敏感扭转振动的加速度传感器NN2的敏感轴则指向加速度传感器安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的顺时针切线方向；

所述的故障信息处理器（2）含有AD接口（21），还含有微处理器运行的分析诊断系统（22），和分离运算器（23）；各加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2及受力方向的极坐标角J信号，分别为加速度传感器NN1、加速度传感器NN2、加速度传感器EE1、加速度传感器EE2，和极坐标传感器JJ的输出信号，AD接口（21）有8个输入端AN1、AN2、AE1、AE2、AJ，ANZ、An1、Ae1，传感器组(1)，包括加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2，极坐标传感器JJ；其中，加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2输出的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2，输入连接到故障信息处理器（2）所包括的AD接口（21）的输入端AN1、AN2、AE1、AE2，同时送入故障信息处理器（2）所包括的分离运算器（23）的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，分离运算器（23）的输出端CNZ，Cn1、Ce1，对应的输出振幅信号的扭振信号NZ和振幅信号的横向振动n1、e1，分离运算器（23）输出的振幅信号的扭振信号NZ和振幅信号的横向振动n1、e1，对应的输入到AD接口(21)的输入端ANZ、An1、Ae1；同时，传感器组（1）所包括的极坐标传感器JJ，输出的极坐标角J信号，直接接入故障信息处理器2所包括的AD接口（21）的输入端AJ，AD接口（21）输出的加速度信号NA1、NA2、EA1、EA2、受力方向的极坐标角JA信号由故障信息处理器（2）的分析诊断系统(22)中的软件按照公式NZ=((NA2-EA1)-(EA2-NA1))/2计算塔架相对于其对称中心O的振幅信号的扭振信号NZ；按照公式n1=NA1+EA2+NZ和公式e1=EA1+NA2-NZ计算塔架整体真实的振幅信号的横向振动n1、e1；按照公式y=e1 cosJ+n1 sinJ计算塔架横向振动在受力方向Y轴的振动分量y；按照公式p=e1 sinJ+n1 cosJ计算塔架横向振动在Y轴的正交方向即X轴方向的振动分量p；并且根据加速度传感器NN1、NN2输出的加速度信号N1、加速度信号N2，及计算式F=tg^-1(NA1/NA2)，或根据加速度传感器EE1、EE2输出的加速度信号E1、加速度信号E2及计算式F=tg^-1(EA2/EA1)，计算获取塔架的倾斜的主方位角F；根据加速度传感器NN1、NN2输出的加速度信号N1、加速度信号N2，及计算式Q=sin^-1((2NA1NA2sin2F)^0.5/g)，或根据加速度传感器EE1、EE2输出的加速度信号E1、加速度信号E2及计算式Q=sin^-1((2EA1EA2sin2F)^0.5/g)，获得塔架的倾斜的主倾斜角Q，式中g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的一种机械塔架故障诊断方法，其特征在于：所述故障信息处理器（2）含有分离运算器（23），加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2输出的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2，分别对应地输入连接到分离运算器（23）的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，分离运算器（23）的输出端CNZ，Cn1、Ce1，对应的输出相对塔架对称中心的垂直线的扭转振动加速度振幅信号的扭振信号NZ，相对地理坐标南北方向即N轴方向的振动加速度振幅信号的横向振动n1、相对地理坐标东西方向即E轴方向的振动加速度振幅信号的横向振动e1；分离运算器(23)输出的振幅信号的扭振信号NZ，振幅信号的横向振动n1、e1，对应的输入接到故障信息处理器的AD接口(21)对应的ANZ、An1、Ae1信号输入端；AD接口（21）将采集得到的信息NA1、NA2、EA1、EA2、JA、n1、e1、NZ送到分析诊断系统（22）进行故障诊断。

3.根据权利要求2所述的一种机械塔架故障诊断方法，其特征在于：所述分离运算器（23）含有第一运算器（31）、第二运算器（32）、第三运算器（33）和第一重积分器（34）、第二重积分器（35）、第三重积分器（36），加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2，对应的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2，分别对应地输入第一运算器（31）的输入端BN1、BN2、BE1、BE2，第一运算器（31）的输出端BJNZ输出的扭转振动加速度JNZ与第一重积分器（34）的输入端BJNZ相连，第一重积分器（34）的输出端CNZ，输出振幅信号的扭振信号NZ，第一运算器（31）的运算式为扭转振动加速度JNZ:JNZ=[(N2-E1)-(E2-N1)]/2；加速度传感器NN1、EE2，对应的加速度信号N1、加速度信号E2，分别对应地输入第二运算器（32）的输入端BN1、BE2，第一运算器（31）的输出端BJNZ的输出信号扭转振动加速度JNZ，与第一重积分器34的输入端BJNZ相连的同时，也接入第二运算器（32）的输入端BJNZ，和第三运算器（33）的输入端BJNZ，第二运算器（32）的输出端BJn1的输出信号N轴方向的振动加速度横向振动Jn1接到第二重积分器（35）的输入端BJn1，第二重积分器（35）的输出端Cn1输出振幅信号的横向振动n1，第二运算器（32）的运算式为N轴方向的振动加速度横向振动Jn1:Jn1=N1+E2+JNZ；

加速度传感器NN2、EE1，对应的加速度信号N2、加速度信号E1，分别对应地输入第三运算器（33）的输入端BN2、BE1，第一运算器（31）的输出端BJNZ的输出信号JNZ，也送入第三运算器（33）的输入端BJNZ，第三运算器（33）的输出端BJe1，输出信号E轴方向的振动加速度横向振动Je1接到第三重积分器（36）的输入端BJe1，第三重积分器（36）的输出端Ce1，输出振幅信号的横向振动e1，第三运算器（33）的运算式为E轴方向的振动加速度横向振动Je1:Je1=N2+E1-JNZ。

4.根据权利要求3所述的一种机械塔架故障诊断方法，其特征在于：按照扭转振动加速度JNZ的计算公式JNZ=((N2-E1)-(E2-N1))/2设计的第一运算器（31）含有运放OP1-1～运放OP1-3、电阻器R1～电阻器R10，其中电阻器R1=电阻器R2=2·电阻器R3，电阻器R4=电阻器R5=2·电阻器R6，电阻器R7=电阻器R8，电阻器R9=电阻器R10；并且加速度信号N1接到电阻器R1的一端，电阻器R1的另一端接运放OP1-1的负输入端，加速度信号N2接电阻器R2的一端，电阻器R2的另一端接运放OP1-1的负输入端，运放OP1-1的输出端与负输入端之间接电阻器R3，运放OP1-1的正输入端接地，运放OP1-1的输出为-(N1+N2)/2；加速度信号E1接到电阻器R4的一端，电阻器R4的另一端接运放OP1-2的负输入端，加速度信号E2接电阻器R5的一端，电阻器R5的另一端接运放OP1-2的负输入端，运放OP1-2的输出端与负输入端之间接电阻器R6，运放OP1-2的正输入端接地，运放OP1-2的输出为-(E1+E2)/2；运放OP1-1的输出端将信号-(N1+N2)/2接到运放OP1-3的负输入端，运放OP1-3的负输入端与输出端之间接电阻器R8，运放OP1-2的输出端将-(E1+E2)/2信号接到电阻器R9的一端，电阻器R9的另一端接运放OP1-3的正输入端，运放OP1-3的正输入端与地之间接电阻器R10，运放OP1-3的输出为扭转振动加速度JNZ：

(N1+N2)/2-(E1+E2)/2=((N2-E2)-(E2-N1))/2=JNZ；

按照N轴方向的振动加速度Jn1的计算公式Jn1=N1+E2+JNZ设计的第二运算器(32)含运放OP1-4、运放OP2-4、电阻器R11～电阻器R16，加速度信号N1接电阻器R11的一端，电阻器R11的另一端接运放OP1-4的负输入端，加速度信号E1接电阻器R12的一端，电阻器R12的另一端接运放OP1-4的负输入端，信号扭转振动加速度JNZ接电阻器R13的一端，电阻器R13的另一端接运放OP1-4的负输入端，运放OP1-4的正输入端接地，运放OP1-4的负输入端与输出端之间接电阻器R14，运放OP1-4的输出端经过电阻器R15接运放OP2-4的负输入端，运放OP2-4的正输入端接地，运放OP2-4的负输入端与输出端之间接电阻器R16，运放OP2-4的输出即是N轴方向的振动加速度Jn1:Jn1=N1+E1+JNZ；

按照E轴方向的振动加速度Je1的计算公式Je1=E1+N2-JNZ设计的第三运算器(33)含有运放OP2-1～运放OP2-3、电阻器R17～电阻器R25，加速度信号E1接电阻器R17的一端，电阻器R17的另一端接运放OP2-1的负输入端，加速度信号N1接电阻器R18的一端，电阻器R18的另一端接运放OP2-1的负输入端，运放OP2-1的正输入端接地，在运放OP2-1的负输入端与输出端之间接电阻器R19，运放OP2-1的输出即是-(E1+N1)；信号扭转振动加速度JNZ接电阻器R20的一端，电阻器R20的另一端接运放OP2-2的负输入端，运放OP2-2的正输入端接地，在运放OP2-2的负输入端与输出端之间接电阻器R21，运放OP2-2的输出是负扭转振动加速度即-JNZ，该-JNZ信号接电阻器R24的一端，电阻器R24的另一端接运放OP2-3的正输入端，运放OP2-3的正输入端还经过电阻器R25接地，信号-(E1+N1)接电阻器R22的一端，电阻器R22的另一端接运放OP2-3的负输入端，运放OP2-3的负输入端与输出端之间接电阻器R23，所以，运放OP2-3的输出信号即是E轴方向的振动加速度Je1：E1+N1-JNZ=Je1，所有运放的正电源端接正电源V+，负电源端接负电源V-。

5.根据权利要求3或4所述的一种机械塔架故障诊断方法，其特征在于：第一重积分器(34)、第二重积分器(35)、第三重积分器(36)各由两级相同的、基于二阶双二次带通滤波器结构的单积分器级联组成，其每一级二阶双二次带通滤波器含有电阻器R26～电阻器R31，第一电容器C1、第二电容器C2，运放OP1～运放OP3，其中第一级的加速度输入信号扭转振动加速度JNZ或N轴方向的振动加速度Jn1、E轴方向的振动加速度Je1接电阻器R26，电阻器R1的另一端接运放OP2的负输入端，运放OP2的负输入端还经过并联的电阻器R27、电容器C1接运放OP2的输出端，运放OP2的正输入端接地；运放OP2的输出端经过电阻器R29接运放OP3的负输入端，运放OP3的负输入端与输出端之间接电阻器R30，运放OP3的正输入端接地；运放OP3的输出端经电阻器R31接运放OP1的负输入端，运放OP1的负输入端与输出端之间接第二电容器C2，运放OP3的正输入端接地；由运放OP3或运放OP2的输出端输出的是同相或反相的准速度信号；第二级积分器的输入电阻器R26接第一积分器输出的准速度信号，从运放OP3或运放OP2的输出端输出同相或反相的表征振幅输出信号的扭振信号NZ或横向振动n1、e1；电路中电阻器R29=电阻器R30可以是任意合适的电阻值，第一电容器C1=第二电容器C2，所有运放的正电源端接正电源V+，所有运放的负电源端接负电源V-；每一级二阶双二次带通滤波器结构的单积分器的谐振频率F0为所需积分运算的下限频率FT的1/3～1/5，积分器对于FT以上频率的信号的传输系数原则上为每倍频程衰减6.02dB。

6.根据权利要求1或3所述的一种机械塔架故障诊断方法，其特征在于：用示波器部分取代故障信息处理器（2），把分离运算器（23）输出的表征塔架东西方向振动的信号即E轴方向的振动加速度横向振动Je1，或加速度传感器EE1输出的加速度信号E1接到示波器的X轴，X轴代表东方；把分离运算器(23)输出的表征塔架南北方向振动的信号即N轴方向的振动加速度横向振动Jn1，或加速度传感器NN1输出的加速度信号N1接到示波器的Y轴，Y轴代表北方；则在塔架发生振动时，示波器实时绘制塔架塔心的运动振幅或准加速度轨迹。

7.根据权利要求1所述的一种机械塔架故障诊断方法，其特征还在于：当使用故障信息处理器（2）实时采集加速度传感器NN1、NN2、EE1、EE2输出的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2、极坐标传感器JJ输出的极坐标角J、AD接口(21)的信号振幅信号的横向振动n1、e1、振幅信号的扭振信号NZ，用分析诊断系统（22）不仅实时绘制塔心轨迹，还绘制塔体扭振轨迹，通过对于振幅信号的横向振动n1、e1、Y轴的振动分量y、X轴方向的振动分量p、倾斜的主倾斜角Q信号的逐时间段的FFT分析，不仅识别风轮不平衡引起的强迫振动分量的幅度，还识别由于阵风等随机因素激发的塔架的广义共振频率，从而识别塔架系统的固有频率的漂移，进而实现对塔架潜在刚度下降隐患的诊断，还实时修正原本以为固定不变的固有频率数据，为防止等于转速频率的不平衡振动，以及等于转速3倍频率的叶片通过频率振动，与变化了的固有频率相等和合拍共振提供了控制根据。

8.根据权利要求1或7所述的一种机械塔架故障诊断方法，其特征在于：对于风力发电机检测分离的振动信号振幅信号的横向振动n1、e1、Y轴的振动分量y、X轴方向的振动分量p、振幅信号的扭振信号NZ的故障诊断报警限制值按照下述方法：

则在时间T1=10/FZ0内所述横向振动n1、e1、振动分量y、p的每次振动幅度峰值超过限制值XH=0.5hk/50=0.01hk[m]则报警；k为无量纲修正系数，取值范围0.5～2；

则在时间T1=10/FZ0内所述振幅信号的扭振信号NZ的每次扭振幅度峰值超过限制值：XN=0.1hRu/(50*1.5)=0.0013hRu[m]则报警；u为修正系数，量纲[1/m]，取值范围0.5～2；

主倾斜角Q的稳定值超过限制值：XQ=10hv/50=0.2hv[°]则报警；v为修正系数，量纲[°/m]，取值范围0.5～2。

9.根据权利要求1所述的一种机械塔架故障诊断方法，其特征在于：诊断软件根据分离的主方位角F和主倾斜角Q的稳定分量识别塔架稳态基础的倾向性松动或塔身刚度的变异；根据主倾斜角Q的交变分量，或/和根据所述横向振动n1、e1的交变分量，进行波谱分析，识别塔架的横向固有频率、并据该固有频率的漂移以及振动的非线性特征识别塔架的疲劳及连接件的间隙性局部松动故障。

10.根据权利要求1-4之一或7或9所述的一种机械塔架故障诊断方法，其特征在于：原则上，根据NN1、NN2和EE1、EE2两组加速度传感器输出的加速度信号N1、加速度信号N2、加速度信号E1、加速度信号E2测量结果，和式

F=tg^-1(NA1/NA2)、F=tg^-1(EA2/EA1)、

Q=sin^-1((2*NA1*NA2sin2F)^0.5/g)、Q=sin^-1((2*EA1*EA2sin2F)^0.5/g)，

计算的主方位角F和主倾斜角Q的稳定分量比较，如果相差甚远，则判断其中一个加速度传感器有如安装松动或者失效故障，藉以对检测加速度传感器的自身故障实现自我诊断；并根据加速度传感器NN1、EE2和NN2、EE1直接输出的稳定加速度信号分量计算的塔架南北、东西方向的倾斜是否基本相等和是否超出了塔架最大可能倾斜的范围而识别加速度传感器的故障；识别固定的塔架的振幅信号的横向振动e1、n1与塔架上安装的可以绕塔架对称中心旋转的载体主轴或者受力方向的，以及与该方向正交的方向的振动分量y、p，识别受力方向或载体主轴方向的振动因素引起的振动和扭振，进行全面的故障诊断。

11.根据权利要求1-4之一或7或9所述的一种机械塔架故障诊断方法，其特征在于：通过传感器组（1）获取的输电塔的输电线振动传递到电塔的信号的FFT分析，识别电缆受风摩擦产生的广义共振频率的变化，诊断电缆负重时张力的变化、电缆拉伸、电缆断裂、电缆出现新支点的故障。