CN109253881A - 风电齿轮箱行星轮故障检测机构及智能分析系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电齿轮箱行星轮故障检测机构，包括应变片组和与其连接的数据采集器。应变片组包括多个应变片，分别设置在与行星轮相啮合的齿圈和/或太阳轮的齿槽内壁上，设置在齿圈齿槽内壁上的多个应变片分别通过数据传输线与数据采集器连接，设置在太阳轮齿槽内壁上的多个应变片分别通过无线传输装置与数据采集器连接；数据采集器用于接收多个应变片的实时应变数据。还公开了包括该检测机构的智能分析系统和方法。本发明通过在齿轮箱中增加应变片，实时监控行星轮系齿轮啮合副的应变状态，再通过数据分析和计算出不均载系数Kγ、齿向载荷分布系数KHβ和KFβ，实现故障萌芽期实时、精准的故障确定并定位，提高风机安全性及可靠性，降低维护和故障成本。
Description
技术领域
本发明涉及风电机组故障检测技术领域，特别是涉及一种风电齿轮箱行星轮故障检测机构及智能分析系统和方法。
背景技术
行星轮系为风电齿轮箱主要组成部分，一旦发生故障，整个齿轮箱都需要拆检甚至更换。目前的行星轮系结构绝大部分都是采用2K-H轮系。该行星轮既公转也自转，所以行星轮的啮合尤为重要,容易造成行星轮和轴承配合面干摩擦，产生胶合、拉伤等应力集中性质的破坏，造成行星轮系早期失效，最终导致齿轮箱失效。因此，对行星轮系进行实时状态监控并且及早发现故障是相当重要的工作，既可以提早预防，及时修护，又可以尽量避免损伤扩大，降低事故概率。
目前行业内针对行星轮系的状态监测大部分采用振动监测或者油液监控，两者都存在如下弊端：一是只能在故障中后期才能反映出来，容易造成较大经济损失，二是会受到前后零件的干扰较大，检测结果不准确。
本发明就是在此基础上提出的一种风力发电机组齿轮箱行星轮故障检测机构及智能分析系统和方法，使其在故障萌芽期就能智能分析和定位出故障位置，实属当前重要研发课题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风电齿轮箱行星轮故障检测机构，使其在故障萌发期及早监测到故障数据，为后续故障分析和得出故障结论提供有力数据支持，从而克服现有的风力发电机组齿轮箱行星轮故障检测系统的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种风电齿轮箱行星轮故障检测机构，包括应变片组和与其连接的数据采集器，
所述应变片组包括多个应变片，所述多个应变片分别设置在与行星轮相啮合的齿圈和/或太阳轮的齿槽内壁上，设置在所述齿圈的齿槽内壁上的多个应变片分别通过数据传输线与所述数据采集器连接，设置在所述太阳轮齿槽内壁上的多个应变片分别通过无线传输装置与所述数据采集器连接；
所述数据采集器，用于接收所述多个应变片的实时应变数据。
作为本发明的一种改进，所述无线传输装置包括无线发射器和与其无线连接的无线接收器，所述无线发射器设置在太阳轮上，与所述太阳轮齿槽内壁上的应变片连接，所述无线接收器设置在齿轮箱箱体上，与所述数据采集器连接。
进一步改进，所述齿圈和/或太阳轮上沿圆周均匀设置三组所述应变片组，每组应变片组包括8片应变片，所述8片应变片分成两列，分别设置在相邻的两个齿槽内壁上，每个齿槽中的4个应变片沿齿槽等距设置，且两个相邻齿槽中的应变片相错设置。
进一步改进，所述应变片采用电阻应变片，所述电阻应变片采用强力粘接剂固定在齿槽的齿沟底部。
进一步改进，所述数据采集器内部的采集电路采用惠氏电路半桥接法连接所述应变片，用于采集所述应变片的应变电压数据。
本发明还公开一种包括上述的风电齿轮箱行星轮故障检测机构的智能分析系统，所述智能分析系统还包括数据分析模块、故障定位显示器和故障预警器，
所述数据分析模块与所述数据采集器连接，用于接收所述数据采集器传送的应变片检测数据，并对接收数据进行分析、计算，预测出所述齿轮箱行星轮故障情况和故障位置；
所述故障预警器，用于对所述数据分析模块预测出的故障情况进行预警；
所述故障定位显示器，用于对所述数据分析模块预测出的故障位置进行显示。
本发明还公开一种应用上述智能分析系统的智能分析方法，所述方法包括如下步骤：
(1)在齿轮箱行星轮运行过程中，由所述数据采集器实时接收和读取所述每个应变片的应变电压数据；
(2)由所述数据分析模块计算每组应变片组中多个应变片的应变电压数据的均方根值，再将所述每个应变片的应变电压峰值与所述每组应变片组的应变电压数据的均方根值相比，得到所述每个应变片相对应的不均载系数Kγ；
(3)所述数据分析模块根据得到的多个应变片相对应的不均载系数Kγ，判断所述每个应变片安装位置处对应行星轮的均载性程度，所述不均载系数Kγ越接近于1，相对应的均载性越好，若所述不均载系数Kγ超出预设报警限值，则所述数据分析模块将超出预设报警限值的所述应变片故障位置发送给所述故障定位显示器，并向所述故障预警器发送信息。
本发明还公开一种应用上述智能分析系统的智能分析方法，所述方法包括如下步骤：
(1)在齿轮箱行星轮运行过程中，由所述数据采集器实时接收和读取所述每个应变片的应变电压数据；
(2)由所述数据分析模块计算每组应变片组中多个应变片的应变电压数据的平均值，再将所述每个应变片的应变电压峰值与所述每组应变片组的应变电压数据的平均值相比，得到所述每个应变片相对应的齿内载荷分布系数KFβ；
(3)所述数据分析模块根据得到的多个应变片相对应的齿内载荷分布系数KFβ，判断所述每个应变片安装位置处行星轮齿宽载荷分布对齿根弯曲应力的影响程度，所述齿内载荷分布系数KFβ越接近于1，相对应的行星轮齿宽载荷分布对齿根弯曲应力的影响程度越小，若所述齿内载荷分布系数KFβ超出预设报警限值，则所述数据分析模块将超出预设报警限值的所述应变片故障位置发送给所述故障定位显示器，并向所述故障预警器发送信息。
本发明还公开一种应用上述智能分析系统的智能分析方法，所述方法包括如下步骤：
(1)在齿轮箱行星轮运行过程中，由所述数据采集器实时接收和读取所述每个应变片的应变电压数据；
(2)由所述数据分析模块计算每组应变片组中多个应变片的应变电压数据的平均值，再将所述每个应变片的应变电压峰值与所述每组应变片组的应变电压数据的平均值相比，得到所述每个应变片相对应的齿内载荷分布系数KFβ；
(3)再根据如下公式：
其中，h为行星轮齿高，b为行星轮齿宽；计算齿内载荷分布系数KHβ；
(3)所述数据分析模块根据得到的多个应变片相对应的齿内载荷分布系数KHβ，判断所述每个应变片安装位置处行星轮齿宽载荷分布对齿面接触应力的影响程度，所述齿内载荷分布系数KHβ越接近于1，相对应的行星轮齿宽载荷分布对齿面接触应力的影响程度越小，若所述齿内载荷分布系数KHβ超出预设报警限值，则所述数据分析模块将超出预设报警限值的所述应变片故障位置发送给所述故障定位显示器，并向所述故障预警器发送信息。
进一步改进，上述智能分析方法中步骤(1)中所述数据采集器内部的采集电路采用惠氏电路半桥接法连接所述应变片。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
1、本发明风电齿轮箱行星轮故障检测机构通过在现有风电齿轮箱行星轮系齿轮副中加装多个应变片，能实现齿轮箱运行过程中对行星轮与齿圈或太阳轮啮合过程中的细微应变变化，并通过数据采集器对该细微应变变化的接收，为后续故障分析提供有力数据支持。
2、本发明还通过在齿圈和太阳轮圆周上分别均匀设置三处应变片组，以及每处应变片组设置8个应变片，为后续故障定位提供有力支持。
3、本发明风电齿轮箱行星轮故障智能分析方法通过数据采集器对应变片的细微应变数据采集，以及数据分析模块对不均载系数Kγ、齿向载荷分布系数KHβ和KFβ指标的分析计算，即在故障萌芽期即可放大的看到故障所在，解决了早期很难发现的难题，可以及早防范或者精细维护，避免人工疏忽造成的遗漏问题，同时避免了故障发展后期只能更换齿轮箱的情况出现，提高了风机的安全性及可靠性，降低了维护成本及故障成本。
4、本发明故障检测智能分析方法中通过不均载系数Kγ指标计算和比较，能判断出每个行星轮所承受的载荷与整个行星轮的所有行星轮均载之间的关系，并根据行星轮的个数和经验，通过预设的不同上下限值，能得出每个应变片安装位置处对应行星轮的均载性程度如何，是否需要预警，为运维人员及早发现该类故障及早维护提供便利条件。
5、本发明故障检测智能分析方法中还通过齿向载荷分布系数KFβ指标计算和比较，能判断出每个行星轮沿齿宽载荷分布对齿根弯曲应力的影响，并根据行星轮的个数和经验，通过预设的不同上下限值，能得出每个应变片安装位置处对应行星轮沿齿宽载荷分布对齿根弯曲应力的影响如何，是否需要预警，为运维人员及早发现该类故障及早维护提供便利条件。
6、本发明故障检测智能分析方法中还通过齿向载荷分布系数KHβ指标计算和比较，能判断出每个行星轮沿齿宽载荷分布对齿面接触应力的影响，并根据行星轮的个数和经验，通过预设的不同上下限值，能得出每个应变片安装位置处对应行星轮沿齿宽载荷分布对齿面接触应力的影响如何，是否需要预警，为运维人员及早发现该类故障及早维护提供便利条件。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明风电齿轮箱行星轮故障检测机构安装于齿轮箱的结构示意图。
图2是本发明风电齿轮箱行星轮故障检测机构中应变片在齿圈上的安装示意图。
图3是本发明数据采集器中采用的惠氏半桥接法连接应变片的数据采集电路示意图。
图4是本发明风电齿轮箱行星轮故障检测智能分析系统的原理示意图。
其中：1为齿圈；2为行星轮；3为太阳轮；4为应变片安装在齿圈上的位置，5为应变片安装在太阳轮上的位置。
具体实施方式
参照附图1所示，本实施例风电齿轮箱行星轮故障检测智能分析系统包括风电齿轮箱行星轮故障检测机构、数据分析模块、故障定位显示器和故障预警器。
该风电齿轮箱行星轮故障检测机构，包括应变片组和与其连接的数据采集器。
该应变片组包括多个应变片，该多个应变片分别设置在与行星轮2相啮合的齿圈1或太阳轮2的齿槽内壁上。若应变片设置在齿圈1齿槽内壁4上时，该多个应变片分别通过数据传输线与该数据采集器连接。若应变片设置在太阳轮3齿槽内壁5上时，该多个应变片分别通过无线传输装置与该数据采集器连接。该数据采集器用于接收该多个应变片的实时检测数据，为后续故障分析和得出故障结论提供有力的数据支持。
本实施例中该齿圈1和太阳轮3上均设置应变片，具体安装方式为：沿齿圈1和太阳轮3圆周每120°布置一组应变片组，则齿圈1和太阳轮3上均设置三组该应变片组，每组应变片组包括8片应变片。该8片应变片分成两列，分别设置在相邻的两个齿槽内壁上，每个齿槽中的4个应变片沿齿槽等距设置，且两个相邻齿槽中的应变片相错设置，如附图2所示。由于该齿圈和太阳轮上的齿槽均为斜槽设置，所以每组应变片组中的8片应变片属于依次与行星轮接触，形成连续的应变片检测数据，为检测结果的准确性提供保障。
本实施例中将太阳轮3上的应变片检测数据导出采用无线传输装置，该无线传输装置包括无线发射器和与其无线连接的无线接收器。该无线发射器设置在太阳轮3上，与该太阳轮齿槽内壁上的应变片连接，该无线接收器设置在齿轮箱箱体上，与该数据采集器连接，则实现在齿轮箱运行过程中实时检测太阳轮3上应变片组的应变数据。
本实施例中该应变片采用电阻应变片，该电阻应变片采用强力粘接剂固定在相应齿槽的齿沟底部。
还有，本实施例中该数据采集器内部的采集电路采用惠氏电路半桥接法连接相应的应变片，用于采集每个应变片的应变电压数据。如附图3显示通过惠氏半桥接法连接应变片的数据采集电路，其中R1为对应连接的应变片，R2为温度补偿片，R3、R4为恒定电阻，则通过该惠氏半桥接法电路能直接方便的读出该应变片R1的应变电压数据。
本实施例中该数据分析模块与该数据采集器连接，用于接收该数据采集器传送的应变片检测数据，并对接收数据进行分析、计算，预测出该齿轮箱行星轮故障情况和故障位置；该故障预警器，用于对该数据分析模块预测出的故障情况进行预警；该故障定位显示器，用于对该数据分析模块预测出的故障位置进行显示，方便运维人员及早发现故障。
参照附图4所示，基于上述风电齿轮箱行星轮故障检测智能分析系统，该风电齿轮箱行星轮故障检测智能分析方法包括如下步骤：
(1)在齿轮箱行星轮运行过程中，由该数据采集器实时接收和读取该每个应变片的应变电压数据；
(2)由该数据分析模块计算每组应变片组中多个应变片的应变电压数据的均方根值，再将该每个应变片的应变电压峰值与该每组应变片组的应变电压数据的均方根值相比，得到该每个应变片相对应的不均载系数Kγ；
(3)该数据分析模块根据得到的多个应变片相对应的不均载系数Kγ，判断该每个应变片安装位置处对应行星轮的均载性程度。该不均载系数Kγ越接近于1，相对应的均载性越好，若该不均载系数Kγ超出预设报警限值，则该数据分析模块将超出预设报警限值的该应变片故障位置发送给该故障定位显示器，并向该故障预警器发送信息。则实现故障预警器的预警和故障定位显示器的故障位置显示，为运维人员及时提供相应的故障信息，达到在故障萌芽期实时、精准的确定故障并定位的目的。
进一步改进，本发明智能分析方法还包括采用齿内载荷分布系数KFβ指标进行行星轮齿宽载荷分布对齿根弯曲应力的影响程度分析，该分析步骤如下：
由该数据分析模块计算每组应变片组中多个应变片的应变电压数据的平均值，再将该每个应变片的应变电压峰值与该每组应变片组的应变电压数据的平均值相比，得到该每个应变片相对应的齿内载荷分布系数KFβ。
再由该数据分析模块根据得到的多个应变片相对应的齿内载荷分布系数KFβ，判断该每个应变片安装位置处行星轮齿宽载荷分布对齿根弯曲应力的影响程度。该齿内载荷分布系数KFβ越接近于1，相对应的行星轮齿宽载荷分布对齿根弯曲应力的影响程度越小，若该齿内载荷分布系数KFβ超出预设报警限值，则该数据分析模块将超出预设报警限值的该应变片故障位置发送给该故障定位显示器，并向该故障预警器发送信息。同样实现针对该类型故障的故障预警器预警和故障定位显示器的故障位置显示，为运维人员及时提供故障类型和故障信息，达到在故障萌芽期实时、精准的确定故障并定位的目的。
还有，本发明智能分析方法还包括采用齿内载荷分布系数KHβ指标进行行星轮齿宽载荷分布对齿面接触应力的影响程度分析，该分析步骤如下：
根据上述方法中计算得出的每个应变片相对应的齿内载荷分布系数KFβ，再根据如下公式：
其中，h为行星轮齿高，b为行星轮齿宽；计算齿内载荷分布系数KHβ；
然后，该数据分析模块根据得到的多个应变片相对应的齿内载荷分布系数KHβ，判断该每个应变片安装位置处行星轮齿宽载荷分布对齿面接触应力的影响程度。该齿内载荷分布系数KHβ越接近于1，相对应的行星轮齿宽载荷分布对齿面接触应力的影响程度越小，若该齿内载荷分布系数KHβ超出预设报警限值，则该数据分析模块将超出预设报警限值的该应变片故障位置发送给该故障定位显示器，并向该故障预警器发送信息。同样实现针对该类型故障的故障预警器预警和故障定位显示器的故障位置显示，为运维人员及时提供故障类型和故障信息，达到在故障萌芽期实时、精准的确定故障并定位的目的。
本发明以风电机组齿轮箱行星轮系为基础，通过在内齿圈和行星轮之间、以及行星轮和太阳轮之间增加用于行星轮应变数据检测的故障检测机构，能实时监控行星轮系齿轮啮合副的应变状态，并通过后续数据分析模块的分析和计算，实时分析两处啮合副的不均载系数Kγ、齿向载荷分布系数KHβ和KFβ，并通过与预设的限值比较，一旦超出阈值，故障定位显示器就会显示故障并且定位来源于哪个齿轮啮合副，实现故障萌芽期实时、精准的确定故障并定位，实现在故障萌芽期就可以通过相应的应变信号变化预判出故障类型并进行故障定位的目的。即在故障萌芽期即可放大的看到故障所在，解决了早期很难发现的难题，可以及早防范或者精细维护，避免了故障发展后期只能更换齿轮箱的情况出现，提高了风机的安全性及可靠性，降低了维护成本及故障成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种风电齿轮箱行星轮故障检测机构，其特征在于，包括应变片组和与其连接的数据采集器，
所述应变片组包括多个应变片，所述多个应变片分别设置在与行星轮相啮合的齿圈和/或太阳轮的齿槽内壁上，设置在所述齿圈的齿槽内壁上的多个应变片分别通过数据传输线与所述数据采集器连接，设置在所述太阳轮齿槽内壁上的多个应变片分别通过无线传输装置与所述数据采集器连接；
所述数据采集器，用于接收所述多个应变片的实时应变数据。
2.根据权利要求1所述的风电齿轮箱行星轮故障检测机构，其特征在于，所述无线传输装置包括无线发射器和与其无线连接的无线接收器，所述无线发射器设置在太阳轮上，与所述太阳轮齿槽内壁上的应变片连接，所述无线接收器设置在齿轮箱箱体上，与所述数据采集器连接。
3.根据权利要求1或2所述的风电齿轮箱行星轮故障检测机构，其特征在于，所述齿圈和/或太阳轮上沿圆周均匀设置三组所述应变片组，每组应变片组包括8片应变片，所述8片应变片分成两列，分别设置在相邻的两个齿槽内壁上，每个齿槽中的4个应变片沿齿槽等距设置，且两个相邻齿槽中的应变片相错设置。
4.根据权利要求1所述的风电齿轮箱行星轮故障检测机构，其特征在于，所述应变片采用电阻应变片，所述电阻应变片采用强力粘接剂固定在齿槽的齿沟底部。
5.根据权利要求1所述的风电齿轮箱行星轮故障检测机构，其特征在于，所述数据采集器内部的采集电路采用惠氏电路半桥接法连接所述应变片，用于采集所述应变片的应变电压数据。
6.一种包括权利要求1至5任一项所述的风电齿轮箱行星轮故障检测机构的智能分析系统，其特征在于，所述智能分析系统还包括数据分析模块、故障定位显示器和故障预警器，
所述数据分析模块与所述数据采集器连接，用于接收所述数据采集器传送的应变片检测数据，并对接收数据进行分析、计算，预测出所述齿轮箱行星轮故障情况和故障位置；
所述故障预警器，用于对所述数据分析模块预测出的故障情况进行预警；
所述故障定位显示器，用于对所述数据分析模块预测出的故障位置进行显示。
7.一种根据权利要求6所述的智能分析系统的智能分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)在齿轮箱行星轮运行过程中，由所述数据采集器实时接收和读取所述每个应变片的应变电压数据；
(2)由所述数据分析模块计算每组应变片组中多个应变片的应变电压数据的均方根值，再将所述每个应变片的应变电压峰值与所述每组应变片组的应变电压数据的均方根值相比，得到所述每个应变片相对应的不均载系数Kγ；
(3)所述数据分析模块根据得到的多个应变片相对应的不均载系数Kγ，判断所述每个应变片安装位置处对应行星轮的均载性程度，所述不均载系数Kγ越接近于1，相对应的均载性越好，若所述不均载系数Kγ超出预设报警限值，则所述数据分析模块将超出预设报警限值的所述应变片故障位置发送给所述故障定位显示器，并向所述故障预警器发送信息。
8.一种根据权利要求6所述的智能分析系统的智能分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)在齿轮箱行星轮运行过程中，由所述数据采集器实时接收和读取所述每个应变片的应变电压数据；
(2)由所述数据分析模块计算每组应变片组中多个应变片的应变电压数据的平均值，再将所述每个应变片的应变电压峰值与所述每组应变片组的应变电压数据的平均值相比，得到所述每个应变片相对应的齿内载荷分布系数KFβ；
(3)所述数据分析模块根据得到的多个应变片相对应的齿内载荷分布系数KFβ，判断所述每个应变片安装位置处行星轮齿宽载荷分布对齿根弯曲应力的影响程度，所述齿内载荷分布系数KFβ越接近于1，相对应的行星轮齿宽载荷分布对齿根弯曲应力的影响程度越小，若所述齿内载荷分布系数KFβ超出预设报警限值，则所述数据分析模块将超出预设报警限值的所述应变片故障位置发送给所述故障定位显示器，并向所述故障预警器发送信息。
9.一种根据权利要求6所述的智能分析系统的智能分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)在齿轮箱行星轮运行过程中，由所述数据采集器实时接收和读取所述每个应变片的应变电压数据；
(2)由所述数据分析模块计算每组应变片组中多个应变片的应变电压数据的平均值，再将所述每个应变片的应变电压峰值与所述每组应变片组的应变电压数据的平均值相比，得到所述每个应变片相对应的齿内载荷分布系数KFβ；
(3)再根据如下公式：
其中，h为行星轮齿高，b为行星轮齿宽；计算齿内载荷分布系数KHβ；
(3)所述数据分析模块根据得到的多个应变片相对应的齿内载荷分布系数KHβ，判断所述每个应变片安装位置处行星轮齿宽载荷分布对齿面接触应力的影响程度，所述齿内载荷分布系数KHβ越接近于1，相对应的行星轮齿宽载荷分布对齿面接触应力的影响程度越小，若所述齿内载荷分布系数KHβ超出预设报警限值，则所述数据分析模块将超出预设报警限值的所述应变片故障位置发送给所述故障定位显示器，并向所述故障预警器发送信息。
10.根据权利要求7至9任一项所述的智能分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述数据采集器内部的采集电路采用惠氏电路半桥接法连接所述应变片。
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