CN102305714A - 基于振动等效幅值风力发电机组传动链定量故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动等效幅值风力发电机组传动链定量故障检测方法，分析评估风力发电机组传动链运行状态，适用于陆上非直驱型风力发电机组。本方法基于风力发电机组特有的变转速运行方式、复杂的承载状况，针对传动链研究并设计了一组评估参量：故障检测指标1与故障检测指标2；经过测试分析、计算统计对传动链振动状态进行了分级并确定了相应的阈值。本发明的有益效果是：通过使用该定量故障检测方法可以确定故障部位并进行预警或报警，对风力发电机组维护与检修计划的安排调整给出指导性建议，减少非计划停机时间、提高风电场经济效益与社会效益。

Description

基于振动等效幅值风力发电机组传动链定量故障检测方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组传动链故障检测领域，具体涉及一种基于振动等效幅值风力发电机组传动链定量故障检测方法。

背景技术

我国风力发电迅猛发展，截止2010年底，新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，位列全球第一。由于特殊的结构及运行方式，风力发电机组不但受随机的空气动力载荷、惯性力、不同运转状态导致的载荷等外部环境对运行状态的叠加；而且其内部是集机械、电子、电气、液压于一体的复杂机电系统。运行环境恶劣、机舱离地较高、自动化程度高、结构复杂、价格昂贵，风力发电机组，特别是传动链，一旦发生故障或损伤，将造成巨大经济损失，甚至可能引发灾难性事故。现行的结构和机械振动标准所涉及的振动都是由机器本身产生且直接作用于机器零部件，对于外部激励对机器的振动影响没有考虑在内，而风力发电机组受随机的空气动力载荷、非对称气流、惯性力、不同运转状态导致的载荷等外部环境对运行状态的叠加，这使得现行的结构和机械振动评估方法不适用于风力发电机组。

风力发电机组传动链主要包括风轮、主轴、增速齿轮箱与发电机，直驱型不包括增速齿轮箱。作为风力发电机组的主要组成部分，其可靠性直接关系到风力发电机组的安全可靠运行。由于缺少一套合适的理论指导风力发电机组故障检测，目前仅靠人工定期维护及事后检修，这使得风力发电机组的维护费用居高不下。对于工作寿命为20年的机组，运行维护成本估计占到风场收入的10％～15％左右；对于海上风场，用于风力发电机运行维护的成本高达风场收入的20％～25％左右。风力发电机组独特的变转速运行特性，复杂的工况，行星齿轮增速箱更是由于级联的出现，故障特征交叉影响、多特征耦合，导致运行状态的确切判定、故障的准确定位有一定难度。时域指标分析方法简单、快捷，是实现在线报警的良好选择；但目前还没有一套合适的理论来指导时域报警阈值的选择问题，很难对风力发电组传动链状态分级，更谈不上预防性维护指导。因此，挖掘、研究合适的评估参量、基于测试分析确定合理的报警阈值，提高风力发电机组可用性与可维护性，减少非计划性停机时间、提高经济效益，预防重大事故发生，具有重要工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供基于振动等效幅值的风力发电机组传动链定量故障检测技术，用于指导风力发电机组传动链运行状态评估，保证风力发电机的安全运行、减少非计划停机时间，避免恶性事故的发生，提高经济和社会效益。本发明主要针对陆上非直驱型风力发电机组的传动链，具体部件包括主轴、齿轮箱及发电机，提供科学有效的安全评估方法。根据该方法可以对风力发电机组维护、检修计划的安排调整给出指导性建议。

本发明的技术方案是这样实现的：

针对输出功率不超过1MW陆上非直驱型风力发电机组；测试条件为风力发电机组正常运转情况下，不少于名义输出功率的20％的生产运行模式进行并网测试，该方法包含如下步骤：

1)使用加速度传感器，对发电机前轴承、发电机后轴承、主轴轴承、行星齿轮增速箱齿圈、行星齿轮增速箱低速轴轴承、行星齿轮增速箱中间轴轴承、行星齿轮增速箱高速轴轴承，这七处水平与垂直振动进行测量；特别地，这七处的振动频率分析阈值分别为：发电机前轴承、发电机后轴承的振动频率不超过5000Hz，主轴轴承的振动频率不超过10Hz，行星齿轮增速箱齿圈的振动频率不超过10Hz，行星齿轮增速箱低速轴轴承、行星齿轮增速箱中间轴轴承、行星齿轮增速箱高速轴轴承的振动频率不超过5000Hz；

2)对所采集的水平与垂直振动信号a(t)，单位为g(9.8m/s²)，按以下方法进行处理：

$H_1=\sqrt{\frac{1}{T_0}\underset{T_m=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ut}}^2\left(T_m\right)\·T_i},$ 公式1

其中 $E_{\mathrm{ut}}\left(T_m\right)=\sqrt{\frac{1}{T_i}{\∫}_{T_m-T_i}^{T_m}{a}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}.$ 公式2

$H_2=\frac{1}{T_0}\underset{T_m=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{ut}}\left(T_m\right),$ 公式3

其中 $F_{\mathrm{ut}}\left(T_m\right)=\frac{\mathrm{\β}\left(T_m\right)}{{\left[{\mathrm{\σ}}_a^2\left(T_m\right)\right]}^2},$ 公式4

$\mathrm{\β}\left(T_m\right)=\frac{1}{T_i}{\∫}_{T_m-T_i}^{T_m}{[a\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_a]}^4\mathrm{dt},$ 公式5

${\mathrm{\σ}}_a^2\left(T_m\right)=\frac{1}{T_i}{\∫}_{T_m-T_i}^{T_m}{[a\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_a]}^2\mathrm{dt},$ 公式6

${\mathrm{\μ}}_a\left(T_m\right)=\frac{1}{T_i}{\∫}_{T_m-T_i}^{T_m}a\left(t\right)\mathrm{dt}.$ 公式7

其中，T_i为测量值的单位计算时间，具体为1s；T₀为故障检测的评估时间，具体为1min；T_m表示评估时间T₀的时间历程(T_m＝1，2，…，60)；E_ut(T_m)为测量值单位计算时间T_i内的均方根值；F_ut(T_m)为测量值单位计算时间T_i内的峭度指标；β(T_m)为测量值单位计算时间T_i内的峭度；

为测量值单位计算时间T_i内的方差；μ_a(T_m)为测量值单位计算时间T_i内的均值；H₁为评估时间T₀内的第一个评估参量(单位为g)，代表故障检测指标1，H₂为评估时间T₀内的第二个评估参量(无量纲指标)，代表故障检测指标2；

3)对于步骤2计算所得到的故障检测指标H₁、H₂，按下述方法划分发电机前轴承、发电机后轴承、主轴轴承、行星齿轮增速箱齿圈、行星齿轮增速箱低速轴轴承、行星齿轮增速箱中间轴轴承、行星齿轮增速箱高速轴轴承，这七处的振动状态。发电机前轴承、发电机后轴承的故障检测指标H₁小于1.1g且H₂小于6时振动状态合格，H₁与H₂其它值时振动状态不合格；主轴轴承的故障检测指标H₁小于0.04g且H₂小于6时振动状态合格，H₁与H₂其它值时振动状态不合格；行星齿轮增速箱齿圈的故障检测指标H₁小于0.04g且H₂小于6时振动状态合格，H₁与H₂其它值时振动状态不合格；行星齿轮增速箱低速轴轴承、行星齿轮增速箱中间轴轴承、行星齿轮增速箱高速轴轴承的故障检测指标H₁小于0.8g且H₂小于6时振动状态合格，H₁与H₂其它值时振动状态不合格。

由于风力发电厂地处偏远，风力发电机组分布较广，传动链振动状态的合格与否仅能指导维护、检修，要达到预防性维护指导的目的，有必要对传动链振动状态进一步细分。发电机前轴承、发电机后轴承、主轴轴承、行星齿轮增速箱齿圈、行星齿轮增速箱低速轴轴承、行星齿轮增速箱中间轴轴承、行星齿轮增速箱高速轴轴承，这七处振动不合格状态可细分为：发电机前轴承、发电机后轴承的故障检测指标H₁大于1.1g小于1.7g且H₂大于6时振动状态不合格，应密切关注、预警；H₁大于1.7g且H₂小于4时振动状态差，报警；H₁与H₂其它值时状态异常，需定期检测。主轴轴承的故障检测指标H₁大于0.04g小于0.06g且H₂大于6时振动状态不合格，应密切关注、预警；H₁大于0.06g且H₂小于4时振动状态差，报警；H₁与H₂其它值时状态异常，需定期检测。行星齿轮增速箱箱齿圈的故障检测指标H₁大于0.04g小于0.06g且H₂大于6时振动状态不合格，应密切关注、预警；H₁大于0.06g且H₂小于4时振动状态差，报警；H₁与H₂其它值时状态异常，需定期检测。行星齿轮增速箱低速轴轴承、行星齿轮增速箱中间轴轴承、行星齿轮增速箱高速轴轴承的故障检测指标H₁大于0.8g小于1.3g且H₂大于6时振动状态不合格，应密切关注、预警；H₁大于1.3g且H₂小于4时振动状态差，报警；H₁与H₂其它值时状态异常，需定期检测。

本发明提出了一种适用于陆上非直驱型风力发电机组的基于振动等效幅值的风力发电机组传动链定量故障检测方法，主要解决了以下问题：

(1)针对风力发电机组的特殊性研究选取了传动链故障检测合适的评估参量。

(2)经过大量测试分析、计算统计，评估参量选取了合适的阈值，对风力发电机组的维护、运行管理给出了理论指导。

基于振动等效幅值的风力发电机组传动链定量故障检测方法适用于输出功率不超过1MW陆上非直驱型风力发电机组；测试条件为风力发电机组正常运转情况下，不少于名义输出功率的20％的生产运行模式进行并网测试。

本发明的方法具有以下特点：

(1)对风力发电机组传动链运行状态进行了分级。

(2)通过使用该定量故障检测方法可以对风力发电机组维护、检修计划的安排调整给出指导性建议，减少非计划停机时间、提高风电场经济效益与社会效益。

(3)本方法计算简便、快捷，便于工程实际应用。

附图说明

图1是本发明风力发电机组传感器的测点分布图。

图2是本发明具体实施例的待测信号，为某风场B-08机组发电机前轴承水平振动信号。

图3是图2所示振动信号的频谱及包络谱图。

具体实施方式

下面是本发明结合附图的一个实施案例，包含了采用本发明的评估过程，它的特征、目的和优点可以从实施案例的说明中看出。

图1是本发明传感器的测点分布图，分别测量发电机前轴承1、发电机后轴承2、主轴轴承3、行星齿轮增速箱齿圈4、行星齿轮增速箱低速轴轴承5、行星齿轮增速箱中间轴轴承6、行星齿轮增速箱高速轴轴承7，这七处的水平与垂直振动。

国内某风机制造商生产的750KW定桨距失速型风力发电机组进行定期监测，加速度传感器按图1进行布置，测量所示测点轴承或齿圈水平与垂直振动信号。测量风力发电机组起机、并网后正常运行1分钟及停机传动链的振动信号，采样频率为12800Hz。故障检测的评估时间T₀取正常运行时的1分钟，单位计算时间T_i为1s。

图2为测点1水平振动信号，即发电机前轴承水平振动信号。按公式2

公式

计算出一组单位计算时间T_i内的均方根值E_ut(T_m)、单位计算时间T_i内的峭度指标F_ut(T_m)各60个数，其中计算F_ut(T_m)所需的β(T_m)、

及μ_a(T_m)，分别按公式 $5(\mathrm{\β}\left(T_m\right)=\frac{1}{T_i}{\∫}_{T_m-T_i}^{T_m}{[a\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_a]}^4\mathrm{dt}),$ 公式 $6({\mathrm{\σ}}_a^2\left(T_m\right)=\frac{1}{T_i}{\∫}_{T_m-T_i}^{T_m}{[a\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_a]}^2\mathrm{dt}),$ 公式a(t)dt)计算。然后按公式

公式3计算出测量数据的评估结果故障检测指标1、故障检测指标2，其中H₁＝1.28g，H₂＝6.03。为方便工程实际应用，传动链振动状态分级与对应范围如表1所示。对照表1，该机组发电机前轴承振动不合格，需密切关注，考虑进一步对数据进行频谱分析。

图3为图2所示振动信号的频谱及包络谱。机组转速为1500r/min，即转频为25Hz，对应外圈故障频率79Hz、内圈故障频率122Hz、滚动体故障频率55Hz，如果有庇点的滚动体同时撞击内圈和外圈，那么滚动体故障频率值应该加倍即110Hz。振动信号频谱图高频处以转频为调制源，低频处以转频为主；包络谱虽较乱，但内圈故障特征很明显。综合频谱内圈故障频率所占比例不大、包络谱出现内圈故障频率的特点，说明该机组发电机前轴承存在微弱的内圈故障。

因为种种原因，风场对该机组没有采取必要的检修、维护措施，发电机前轴承内圈故障持续发展，致使联轴器对中不良，该机组于测试6个月后发生联轴器甩出，严重故障。

表1 输出功率不超过1MW陆上非直驱风力发电机组

Claims (2)

1.基于振动等效幅值风力发电机组传动链定量故障检测方法，其特征在于，针对输出功率不超过1MW陆上非直驱型风力发电机组；测试条件为风力发电机组正常运转情况下，不少于名义输出功率的20％的生产运行模式进行并网测试，该方法包含如下步骤：

1)使用加速度传感器，对发电机前轴承(1)、发电机后轴承(2)、主轴轴承(3)、行星齿轮增速箱齿圈(4)、行星齿轮增速箱低速轴轴承(5)、行星齿轮增速箱中间轴轴承(6)、行星齿轮增速箱高速轴轴承(7)，这七处的水平与垂直振动进行测量；这七处的振动频率分析阈值分别为：发电机前轴承(1)、发电机后轴承(2)的振动频率不超过5000Hz，主轴轴承(3)的振动频率不超过10Hz，行星齿轮增速箱齿圈(4)的振动频率不超过10Hz，行星齿轮增速箱低速轴轴承(5)、行星齿轮增速箱中间轴轴承(6)、行星齿轮增速箱高速轴轴承(7)的振动频率不超过5000Hz；

2)对所采集的水平与垂直振动信号a(t)，单位为g(9.8m/s²)，按以下方法进行处理：

$H_1=\sqrt{\frac{1}{T_0}\underset{T_m=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ut}}^2\left(T_m\right)\·T_i},$ 公式1

其中 $E_{\mathrm{ut}}\left(T_m\right)=\sqrt{\frac{1}{T_i}{\∫}_{T_m-T_i}^{T_m}{a}^2\left(t\right)\mathrm{dt}}.$ 公式2

$H_2=\frac{1}{T_0}\underset{T_m=1}{\overset{60}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{ut}}\left(T_m\right),$ 公式3

其中 $F_{\mathrm{ut}}\left(T_m\right)=\frac{\mathrm{\β}\left(T_m\right)}{{\left[{\mathrm{\σ}}_a^2\left(T_m\right)\right]}^2},$ 公式4

$\mathrm{\β}\left(T_m\right)=\frac{1}{T_i}{\∫}_{T_m-T_i}^{T_m}{[a\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_a]}^4\mathrm{dt},$ 公式5

${\mathrm{\σ}}_a^2\left(T_m\right)=\frac{1}{T_i}{\∫}_{T_m-T_i}^{T_m}{[a\left(t\right)-{\mathrm{\μ}}_a]}^2\mathrm{dt},$ 公式6

${\mathrm{\μ}}_a\left(T_m\right)=\frac{1}{T_i}{\∫}_{T_m-T_i}^{T_m}a\left(t\right)\mathrm{dt}.$ 公式7

其中，T_i为测量值的单位计算时间，具体为1s；T₀为故障检测的评估时间，具体为1min；T_m表示评估时间T₀的时间历程(T_m＝1，2，…，60)；E_ut(T_m)为测量值单位计算时间T_i内的均方根值；F_ut(T_m)为测量值单位计算时间T_i内的峭度指标；β(T_m)为测量值单位计算时间T_i内的峭度；

为测量值单位计算时间T_i内的方差；μ_a(T_m)为测量值单位计算时间T_i内的均值；H₁为评估时间T₀内的第一个评估参量，单位为g，代表故障检测指标1，H₂为评估时间T₀内的第二个评估参量，无量纲指标，代表故障检测指标2；

3)对于步骤2)计算所得到的故障检测指标H₁、H₂，按下述方法划分发电机前轴承(1)、发电机后轴承(2)、主轴轴承(3)、行星齿轮增速箱齿圈(4)、行星齿轮增速箱低速轴轴承(5)、行星齿轮增速箱中间轴轴承(6)、行星齿轮增速箱高速轴轴承(7)，这7处的振动状态，发电机前轴承(1)、发电机后轴承(2)的故障检测指标H₁小于1.1g且H₂小于6时振动状态合格，H₁与H₂其它值时振动状态不合格；主轴轴承(3)的故障检测指标H₁小于0.04g且H₂小于6时振动状态合格，H₁与H₂其它值时振动状态不合格；行星齿轮增速箱齿圈(4)的故障检测指标H₁小于0.04g且H₂小于6时振动状态合格，H₁与H₂其它值时振动状态不合格；行星齿轮增速箱低速轴轴承(5)、行星齿轮增速箱中间轴轴承(6)、行星齿轮增速箱高速轴轴承(7)的故障检测指标H₁小于0.8g且H₂小于6时振动状态合格，H₁与H₂其它值时振动状态不合格。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)发电机前轴承(1)、发电机后轴承(2)、主轴轴承(3)、行星齿轮增速箱齿圈(4)、行星齿轮增速箱低速轴轴承(5)、行星齿轮增速箱中间轴轴承(6)、行星齿轮增速箱高速轴轴承(7)，这七处振动不合格状态可细分为：发电机前轴承(1)、发电机后轴承(2)的故障检测指标H₁大于1.1g小于1.7g且H₂大于6时振动状态不合格，应密切关注、预警；H₁大于1.7g且H₂小于4时振动状态差，报警；H₁与H₂其它值时状态异常，需定期检测，主轴轴承(3)的故障检测指标H₁大于0.04g小于0.06g且H₂大于6时振动状态不合格，应密切关注、预警；H₁大于0.06g且H₂小于4时振动状态差，报警；H₁与H₂其它值时状态异常，需定期检测，行星齿轮增速箱箱齿圈(4)的故障检测指标H₁大于0.04g小于0.06g且H₂大于6时振动状态不合格，应密切关注、预警；H₁大于0.06g且H₂小于4时振动状态差，报警；H₁与H₂其它值时状态异常，需定期检测，行星齿轮增速箱低速轴轴承(5)、行星齿轮增速箱中间轴轴承(6)、行星齿轮增速箱高速轴轴承(7)的故障检测指标H₁大于0.8g小于1.3g且H₂大于6时振动状态不合格，应密切关注、预警；H₁大于1.3g且H₂小于4时振动状态差，报警；H₁与H₂其它值时状态异常，需定期检测。

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