CN108827628A - 一种风电齿轮箱振动状态监测系统及方法 - Google Patents

一种风电齿轮箱振动状态监测系统及方法 Download PDF

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陈浪
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Abstract

本发明提出了一种风电齿轮箱振动状态监测系统及方法，其中，本发明的风电齿轮箱振动状态监测系统利用磁栅传感器在风电齿轮箱旋转轴上获得相等位移间隔的脉冲序列,对该脉冲序列进行前置电路调理后，触发信号采集单元进行振动信号采样，运用振动信号进行状态监测。本发明的监测系统安装方便，风电齿轮箱故障诊断的精度高，特别适合于低速级传动部件故障的诊断和检测。

Description

一种风电齿轮箱振动状态监测系统及方法
技术领域
本发明涉及齿轮箱振动监测技术领域，特别是风电齿轮箱振动状态监测系统及方法。
背景技术
为捕捉最大风功率，风电齿轮箱经常处于变转速工况运行状态。在现有的风电齿轮箱振动监测方法中，最具代表性的就是阶次分析法，该方法将等角度间隔采样的振动信号进行傅里叶变换，然后根据得到的阶次谱进行设备故障诊断，从而消除或降低转速变化对振动信号分析和状态监测的影响。阶次分析法分为计算阶次分析法和硬件阶次分析法两种。中国专利申请号201410253655.X的申请公布了一种计算阶次方法，计算阶次分析法依赖于瞬时频率的准确估计，对于转速波动明显的风电齿轮箱工况，精度受到限制，额外计算量大。硬件阶次分析法常借助于键相装置或编码器来实现，键相装置可实现的采样频率较低，旋转一周只触发采样一次或几次，相应得到的振动信号阶次谱的奈奎斯特频率较低，难以对风电齿轮箱特别是低速级传动部件(行星齿轮)进行有效的诊断分析；编码器受到现场安装条件的制约，应用受到了限制。
发明内容
本发明的目的在于提出一种风电齿轮箱振动状态监测系统。
实现本发明的技术解决方案为：一种风电齿轮箱振动状态监测系统，包括磁栅条、磁读头、振动信号采集模块、信号采集单元、信号处理单元、分析单元，所述信号采集单元包括触发单元和采集单元，所述磁栅条设置在风电齿轮箱转轴表面形成与转轴同轴的圆环，所述磁读头对磁栅条的有效感应面与磁栅条相切，所述振动信号采集模块设置在风电齿轮箱待监测部位，所述触发单元用于对磁读头检测的磁栅信号进行脉冲计数并生成触发信号，所述采集单元响应于触发信号通过振动信号采集模块采集振动信号，所述信号处理单元用于根据触发单元的计数得到风电齿轮箱转轴的转速，并用于对振动信号进行傅里叶变换得到监测阶次谱，所述分析单元用于根据转速确定理论阶次后与监测阶次谱进行比较得到监测结果。
优选地，根据转速确定理论阶次的具体公式为：
式中，F为监测位置的频谱特征频率，f0为磁栅尺安装位置的转频，J为理论阶次。
本发明还提供了一种风电齿轮箱振动状态监测系统的监测方法，具体步骤为：
步骤1、在风电齿轮箱转轴表面设置磁栅条使磁栅条形成与转轴同轴的圆环，采集风电齿轮箱转轴转动时的磁栅信号并对磁栅信号进行脉冲计数，同时，采集风电齿轮箱待监测部位的振动信号；
步骤2、对采集的振动信号进行傅里叶变换得到监测阶次谱，根据磁栅信号的脉冲计数确定风电齿轮箱转轴的转速；
步骤3、根据转速确定理论阶次；
步骤4、将理论阶次与监测阶次谱进行比较得到监测结果。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明实际采样率高，相应得到的振动信号阶次谱的奈奎斯特频率较高，适用于风电齿轮箱低速级传动部件的阶次分析。(2)本发明将啮合特征在阶次谱上推移到远离频谱边峰，降低了低频干扰，进而有效提升了其在监测风电齿轮箱低频特征频率的性能。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明风电齿轮箱振动状态监测系统的示意图。
图2为本发明测量装置安装示意图。
图3为本发明调理电路的电路图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种风电齿轮箱振动状态监测系统，包括磁栅条(200)、磁读头(210)、振动信号采集模块、信号采集单元(300)、信号处理单元(400)、分析单元(500)，所述信号采集单元(300)包括触发单元和采集单元(340)，所述磁栅条(200)设置在风电齿轮箱(100)转轴(110)表面形成与转轴(110)同轴的圆环，所述磁读头(210)对磁栅条(200)的有效感应面与磁栅条(200)相切，所述振动信号采集模块设置在风电齿轮箱(100)待监测部位，所述触发单元用于对磁读头(210)检测的磁栅信号进行脉冲计数并生成触发信号，所述采集单元(340)响应于触发信号通过振动信号采集模块采集振动信号，所述信号处理单元(400)用于根据触发单元的计数得到风电齿轮箱(100)转轴(110)的转速，并用于对振动信号进行傅里叶变换得到监测阶次谱，所述分析单元(500)用于根据转速确定理论阶次后与监测阶次谱进行比较得到监测结果。
进一步的实施例中，所述触发单元包括计数单元(310)、脉冲触发单元(320)、调理电路单元(330)以及SK开关，SK开关一端与脉冲触发单元(320)连接，另一端与调理电路单元连接，所述计数单元(310)用于对磁栅信号进行脉冲计数，所述脉冲触发单元(320)用于根据磁栅信号触发SK开关闭合，所述调理电路单元(330)用于对磁栅信号进行滤波、差分、光耦隔离、缩短脉冲上升沿及稳压处理。
进一步的实施例中，根据转速确定理论阶次的具体公式为：
式中，F为监测位置的频谱特征频率，f0为磁栅尺安装位置的转频，J为理论阶次。
进一步的实施例中，所述采集单元(340)核心时钟频率至少为磁读头(210)输出最高脉冲频率及齿轮箱最高故障特征频率两者中较大值的两倍。
进一步的实施例中，磁读头(210)对磁栅条(200)的有效感应面到磁栅条(200)的距离为2mm～3mm。
进一步的实施例中，所述振动信号采集模块为振动传感器。
本发明的风电齿轮箱振动状态监测系统的工作过程主要分为信号采集、信号处理以及信号分析三个部分，具体为：
一、磁栅脉冲信号及振动信号的采集
1、磁栅条(200)的安装：磁栅条(200)能够弯曲，通过AB胶粘在风电齿轮箱(100)转轴(110)表面，磁栅条(200)的接缝处连接工整，无突起。安装完成后，磁栅条(200)在转轴(110)上形成一个标准的圆环，并与安转轴(110)同轴线。每圈的脉冲数N0由所用磁栅条总长度除以两个磁栅之间的间隔d求出。
2、磁读头(210)的安装：保证磁读头(210)对磁栅条(200)的有效感应面为长方形平面，该平面与磁栅条(200)的垂直距离在2mm～3mm之间，平面与磁栅条(200)安装完形成的圆环相切。磁读头(210)长边所在方向应与磁栅条的旋转方向相同。当读头上的工作指示灯为蓝色时，表示其工作正常；如果其为红色，则需按上述要求对磁读头(210)进行调整。
3、振动传感器(220)的安装：根据齿轮箱的结构特征，将振动传感器安装在距离齿轮箱待监测部分。安装部位为一个光滑、平整的表面，安装时，该表面与振动传感器贴合紧密，采用螺栓连接或强力胶粘合的方式将振动传感器固定在齿轮箱箱体上。
4、信号采集单元(300)：信号采集单元(300)的核心时钟频率应至少为磁读头(210)输出最高脉冲频率及齿轮箱最高故障特征频率两者中较大值的两倍。信号采集单元(300)的信号接入口与磁读头(210)及振动传感器(220)的信号输出口相匹配。
5、调理电路单元(330)：磁栅调理单元(330)具有对磁栅脉冲信号滤波、差分、光耦隔离、缩短脉冲上升沿及稳压的功能。其中，滤波主要为滤除高于采样频率一个数量级的高频噪声信号；脉冲上升沿缩短至低于500ns；稳压将信号稳定在+3V左右的安全范围内。结合图3所示，在某些实施例中，由磁读头输出的两路输入差分信号经过RC滤波电路由AM26LS32的引脚1、引脚2输入AM26LS32芯片，差分处理后由AM26LS32芯片引脚3输出；差分后信号由6N137芯片的引脚2输入，光耦隔离后信号由6N137芯片引脚6输出；隔离后信号由74HC14芯片引脚1输入74HC14芯片，经过整形处理后信号由74HC14芯片引脚2输出；最后，信号经3V0稳压二极管稳压后输出至采集单元(340)。具体处理过程为：两路输入差分信号首先通过RC滤波电路滤除毛刺；之后输入四位差动输出驱动器AM26LS32芯片进行差分处理，消除机械装配误差、零点漂移和干扰源带来的信号误差，提高信噪比；为防止采集卡触感器因短路烧毁，随后信号输入高速光耦6N137进行信号隔离；为满足采集卡对触发信号上升沿的要求，隔离后的信号被输入至高速CMOS芯片74HC14中，缩短信号上升沿；最后，信号经3V0稳压二极管稳压后输出至信号采集单元；
二、磁栅脉冲信号及振动信号的处理
理论阶次计算：根据计数单元(310)得到的磁栅脉冲计数数据，转速计算模块(410)对计数数据进行处理，得到磁栅所在转轴的转速数据。根据齿轮箱的传动比信息，计算振动传感器监测位置处的频谱特征频率，包括理论固有特征频率和理论故障特征频率，从而确定理论阶次。
等角域振动信号阶次分析：采集单元(340)将采集的等角域的振动信号序列传递给傅里叶变换模块(420)，傅里叶变换模块(420)对振动信号进行傅里叶变换得到监测阶次谱。
三、硬件阶次分析
通过对磁栅脉冲信号和振动信号的处理，得到风电齿轮箱的理论故障特征频率和对应传感器监测部位的阶次谱后，理论特征阶次的计算可以由公式得出，其中，F为监测位置的频谱特征频率，f0为磁栅尺安装位置的转频。对比分析监测阶次谱和理论特征阶次，对齿轮箱运行状态进行评估，若当前监测阶次谱上的某一峰值与理论故障特征阶次吻合，则认为风电齿轮箱极有可能发生了该理论故障特征频率对应的故障。
一种风电齿轮箱振动状态监测系统的监测方法，具体步骤为：
步骤1、在风电齿轮箱(100)转轴(110)表面设置磁栅条(200)使磁栅条(200)形成与转轴(110)同轴的圆环，采集风电齿轮箱(100)转轴(110)转动时的磁栅信号并对磁栅信号进行脉冲计数，同时，采集风电齿轮箱待监测部位的振动信号；
步骤2、对采集的振动信号进行傅里叶变换得到监测阶次谱，根据磁栅信号的脉冲计数确定风电齿轮箱(100)转轴(110)的转速；
步骤3、根据转速确定理论阶次；确定公式为：
式中，F为监测位置的频谱特征频率，f0为磁栅尺安装位置的转频，J为理论阶次。
步骤4、将理论阶次与监测阶次谱进行比较得到监测结果。

Claims (8)

1.一种风电齿轮箱振动状态监测系统，其特征在于，包括磁栅条(200)、磁读头(210)、振动信号采集模块、信号采集单元(300)、信号处理单元(400)、分析单元(500)，所述信号采集单元(300)包括触发单元和采集单元(340)，所述磁栅条(200)设置在风电齿轮箱(100)转轴(110)表面形成与转轴(110)同轴的圆环，所述磁读头(210)对磁栅条(200)的有效感应面与磁栅条(200)相切，所述振动信号采集模块设置在风电齿轮箱(100)待监测部位，所述触发单元用于对磁读头(210)检测的磁栅信号进行脉冲计数并生成触发信号，所述采集单元(340)响应于触发信号通过振动信号采集模块采集振动信号，所述信号处理单元(400)用于根据触发单元的计数得到风电齿轮箱(100)转轴(110)的转速，并用于对振动信号进行傅里叶变换得到监测阶次谱，所述分析单元(500)用于根据转速确定理论阶次后与监测阶次谱进行比较得到监测结果。
2.根据权利要求1所述的风电齿轮箱振动状态监测系统，其特征在于，所述触发单元包括计数单元(310)、脉冲触发单元(320)、调理电路单元(330)以及SK开关，SK开关一端与脉冲触发单元(320)连接，另一端与调理电路单元连接，所述计数单元(310)用于对磁栅信号进行脉冲计数，所述脉冲触发单元(320)用于根据磁栅信号触发SK开关闭合，所述调理电路单元(330)用于对磁栅信号进行滤波、差分、光耦隔离、缩短脉冲上升沿及稳压处理。
3.根据权利要求1所述的风电齿轮箱振动状态监测系统，其特征在于，根据转速确定理论阶次的具体公式为：
式中，F为监测位置的频谱特征频率，f0为磁栅尺安装位置的转频，J为理论阶次。
4.根据权利要求1所述的风电齿轮箱振动状态监测系统，其特征在于，所述采集单元(340)核心时钟频率至少为磁读头(210)输出最高脉冲频率及齿轮箱最高故障特征频率两者中较大值的两倍。
5.根据权利要求1所述的风电齿轮箱振动状态监测系统，其特征在于，磁读头(210)对磁栅条(200)的有效感应面到磁栅条(200)的距离为2mm～3mm。
6.根据权利要求1所述的风电齿轮箱振动状态监测系统，其特征在于，所述振动信号采集模块为振动传感器。
7.基于权利要求1所述的风电齿轮箱振动状态监测系统的监测方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、在风电齿轮箱(100)转轴(110)表面设置磁栅条(200)使磁栅条(200)形成与转轴(110)同轴的圆环，采集风电齿轮箱(100)转轴(110)转动时的磁栅信号并对磁栅信号进行脉冲计数，同时，采集风电齿轮箱待监测部位的振动信号；
步骤2、对采集的振动信号进行傅里叶变换得到监测阶次谱，根据磁栅信号的脉冲计数确定风电齿轮箱(100)转轴(110)的转速；
步骤3、根据转速确定理论阶次；
步骤4、将理论阶次与监测阶次谱进行比较得到监测结果。
8.根据权利要求7所述的风电齿轮箱振动状态监测方法，其特征在于，根据转速确定理论阶次的具体公式为：
式中，F为监测位置的频谱特征频率，f0为磁栅尺安装位置的转频，J为理论阶次。
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