CN109269801A - 一种用于风电的齿轮箱故障监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，该装置包括数字信号处理器1、传感器模块2、A/D转换模块3、自组网通信模块4、存储模块5、诊断模块6、移动通信模块7；所述A/D转换模块3、自组网通信模块4、存储模块5、诊断模块6、移动通信模块7均和数字信号处理器1连接；所述传感器模块2和A/D转换模块3连接；通过设置诊断模块可以对监测等级的判断和报警；通过设置自组织通信模块可以和临近节点数据互通，并且可以上传临近节点的数据信息。

Description

一种用于风电的齿轮箱故障监测装置

技术领域

本发明属于风电齿轮箱故障监测装备技术领域，具体是涉及一种用于风电的齿轮箱故障监测装置。

背景技术

风力发电在世界各国风力发电行业讯寻发展，风力发电指把风的动能转换为电能，风能是一种清洁无公害的可再生能源，取之不尽用之不竭，对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。海上风电是可再生能源发展的重要领域，是推动风电技术进步和产业升级的重要力量，是促进能源结构调整的重要措施。我国海上风能资源丰富，加快海上风电项目建设，对于促进沿海地区治理大气雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义。

风力发电主要是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电，风电机组由叶片、增速齿轮箱、枫叶控制系统、刹车系统、发电机、塔架等组成。其中齿轮箱故障最为频繁、维修最为困难。有齿轮箱故障引起风电机组停用事件时有发生，由此带来的直接与间接损失也越来越大。因此对风电机组齿轮箱故障进行快速准确的判断具有很大的经济价值。

如授权公告号为CN 104764487 B，公开了一种基于GPRS的风电齿轮箱远程监测诊断方法，其根据风电齿轮箱的设计运行情况，获取其在线运行的温度、压力及振动信号并转换为数字信号，通过DSP处理模块计算获取反映设备运行健康状态的特征数据，并发送到GPRS模块；该模块应用串口通讯技术、虚拟串口技术、移动网络入网技术将特征诊断信息传入远程控制中心，实现风电齿轮箱远程监测及诊断。

申请公布号为CN 104019917 A，公开了一种风电机组齿轮箱远程监测装置，包括有无线多类传感器终端、嵌入式路由器及GPRS数据收发终端；其中，所述无线多类传感器终端包括有集成的声发、振动和温度的多类传感器模块、放大模块、数据采集和处理模块、以及无线数据收发模块；监测时，多个无线多类传感器终端分布在的风电机组齿轮箱的监测点上，无线多类传感器终端实时检测监测点的温度、振动和声发射数据，经无线嵌入式路由器传送给GPRS数据收发终端，并远程传送给总站的数据分析处理计算机。

但是上述现有技术中存在着如果气力风电机组中的某个发电设备发生故障导致与远端的监控中心失去了联系，从而导致故障信息无法向远端的监控中心发送信号数据。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，能够解决当某个风力发电设备发生故障时能向远端的监控中心发送信号数据的技术问题，并能够提高用于风电的齿轮箱的可靠性，减少其故障率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，该装置包括数字信号处理器、传感器模块、A/D转换模块、自组网通信模块、存储模块、诊断模块、移动通信模块；所述A/D转换模块、自组网通信模块、存储模块、诊断模块、移动通信模块均和数字信号处理器连接；所述传感器模块和A/D转换模块连接。

优选的，所述数字信号处理器是该监测装置硬件的核心，对各监测传感器的信号处理、分析、控制、触发报警等。所述数字信号处理器可以选用高性能的STM32F103ZE芯片处理器。

优选的，所述A/D转换模块连接数字信号处理器，A/D转换模块是将各传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，转换后的数字信号发送给数字信号处理器分析处理。

优选的，所述传感器模块包括振动传感器、温度传感器、油液质量检测仪。

优选的，所述齿轮箱中的齿轮由铁质材料制成。

优选的，所述振动传感器主要安装在齿轮箱的各个部位，采集齿轮箱在工作的过程中所产生的振动信号，振动传感器采集的模拟信号通过A/D转换模块转换成数字信号，诊断模块对经A/D转换后的数字信号进行分析判断，齿轮箱是否稳定处于安全的频率和/或振幅范围内。当振动传感器采集的频率数据大于预设的阈值f和/或振幅数据大于预设的阈值A时，判断为振动异常。如果判断为异常，将根据等级通过移动通信模块上传远端监测中心。

优选的，所述的频率阈值H为1800-3200Hz，所述的振幅阈值A为0.2-0.8mm。进一步的，为了提高用于风电的齿轮箱的使用寿命，减少故障监测装置发送故障信息的次数，频率阈值f与振幅阈值A满足：

A＝α·(H^1/2/3)；

其中，α为转换因子，取值范围为0.01-0.05。

优选的，由于齿轮箱在工作的过程中产生大量的热量，齿轮箱的温度过高会导致润滑油的粘度下降，齿轮的润滑效果降低，从而造成齿轮磨损加剧的情况。所述温度传感器是采集润滑油的温度，然后通过A/D转换模块将采集的模拟信号转换成数字信号。诊断模块对经A/D转换后的数字信号进行分析判断，齿轮箱中的润滑油的温度T是否稳定允许范围内，该范围为65-80℃；油温过低会导致动能在传输过程中的损耗增加，油温过高则不利于变速箱散热。超过上述温度T的范围，则判断为润滑油温度异常。如果判断为异常将根据等级通过移动通信模块上传远端监测中心。

优选的，所述油液质量检测仪是通过检测油液中的铁磁性磨损颗粒的数量，随着铁磁性磨损颗粒数量的增加会导致油液的品质下降，导致齿轮磨损加剧，进而导致设备出现故障；油液质量检测仪检测油液中粒度为60微米以上的金属磨粒含量Q(个/立方毫米)，通过A/D转换模块转换成数字信号，诊断模块对经A/D转换后的数字信号进行分析判断，齿轮箱中的油液中的金属磨粒含量是否处于规定的范围内。如果超过预设的阈值，则判断为异常。如果判断为异常，则将根据等级通过移动通信模块上传远端监测中心。

优选的，所述移动通信模块采用3G或者4G无线通信，在环境恶劣的地方，监测装置采用移动通信是最高效、廉价的方案，所述监测装置通过移动通信模块将经数字信号处理器处理过后的数字信号上传至远端监测中心。

优选的，所述诊断模块一方面通过设备本身各监测传感器所采集的数据分析，预先设置三个故障等级的阈值，故障等级可分为低、中、高，超过故障等级时通过监测装置向远端监测中心发送故障信息；另一方面，本设备的监测数据和临近的监测数据进行对比分析，如监测数据差异大于预设定的阈值时，同样向远端监测中心发送数据对比差异信息。

优选的，所述存储模块是存储各传感器采集的数据信息，诊断模块可以调用存储模块上的历史数据进行分析。

优选的，所述自组织通信模块选用ZigBee模块，所述ZigBee模块和数字信号处理器连接，每一个ZigBee模块作为一个节点，多个节点自组织形成了一个无线信息传输网络，在该无线信息传输网络中其中一个节点作为网络协调器，远距离节点与作为网络协调器之间的节点作为路由器，每一个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，而且其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转相邻网络节点传过来的数据信息，除此之外，每一个ZigBee网络节点还可以在自己信号覆盖的范围内和多个不承担网络信息中专任务的孤立子节点无线连接。

优选的，所述的每一个ZigBee模块作为一个节点，当某个节点发生故障无法向远端监测中心发送故障信息数据时，故障节点向临近的节点发送故障节点的故障信息数据，临近节点作为中转站向远端监测中心发送故障节点的故障信息数据，同时故障节点不间断的把故障信息数据保存在本地存储模块中。

优选的，为了更好的提高齿轮箱可靠性，减少故障率，所述的齿轮箱中的润滑油的温度T、金属磨粒含量Q之间满足T·Q大于等于2100小于等于5500。

优选的，为了进一步提高齿轮箱的可靠性，以减少监测齿轮箱的故障情况出现的次数，所述的齿轮箱中的润滑油的温度T、金属磨粒含量Q、震动频率阈值f之间满足以下关系：

f＝μ·T·Q+f0；

其中，f0为调节频率，取值为500-850Hz；μ调节系数，取值范围为0.24-1.10。

为解决上述技术问题，本发明采用以上装置，提供一种用于风电的齿轮箱故障监测的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、所述振动传感器、温度传感器、油液质量检测仪采集监测数据信息的模拟信号；

步骤二、所述传感器模块通过A/D转换模块将采集到的模拟信号的信息数据转换为数字信号；

步骤三、所述诊断模块预设定为三个诊断故障等级的阈值，所属等级为低、中、高；数字信号处理器对数字信号分析后经诊断模块判断，当超出各等级的阈值时，向远端检测中心发出预警信息；另一方面，所述各监测装置间通过ZigBee模块形成了互联，本监测装置的监测数据和临近节点的监测数据形成对比，如果监测数据的差值超过预设定的阈值时标记为异常，同时将异常的监测数据的差值上传至远端监测中心；

步骤四、在ZigBee网络中当发现某个节点掉队时，那么此节点的临近节点将掉队信息上传至远端监测中心，或者出现某个节点的监测数据、故障异常不能正常上传时，那么此节点的临近节点负责中转上传此节点的监测数据、异常信息。

与现有技术相比，本发明的优点或效果在于：

1、本发明的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，通过设置移动通信模块采用3G或者4G无线通信，在环境恶劣的地方，监测装置采用移动通信是最高效、廉价的方案，所述监测装置通过移动通信模块将经数字信号处理器处理过后的数字信号上传至远端监测中心。

2、本发明的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，通过所述诊断模块一方面通过设备本身各监测传感器所采集的数据分析，预先设置三个故障等级的阈值，故障等级可分为一级、二级、三级，到超过故障等级时通过监测装置向远端监测中心发送故障信息；另一方面，本设备的监测数据和临近的监测数据进行对比分析，如监测数据差异大于预设定的阈值时，同样向远端监测中心发送数据对比差异信息。

3、本发明的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，通过ZigBee模块，每一个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，而且其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转相邻网络节点传过来的数据信息，当某个节点发生故障无法向远端监测中心发送故障信息数据时，故障节点向临近的节点发送故障节点的故障信息数据，临近节点作为中转站向远端监测中心发送故障节点的故障信息数据，同时故障节点不间断的把故障信息数据保存在本地存储模块中。

4、本发明的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，通过设置预设的频率阈值f、振幅阈值A的范围及关系，提高用于风电的齿轮箱的使用寿命，减少故障监测装置发送故障信息的次数。

5、本发明的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，通过设置所述的齿轮箱中的润滑油的温度T、金属磨粒含量Q之间的关系，以更好的提高齿轮箱可靠性，减少故障率。

6、本发明的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，通过设置齿轮箱中的润滑油的温度T、金属磨粒含量Q、震动频率阈值f之间的关系，高齿轮箱的可靠性，以减少监测齿轮箱的故障情况出现的次数。

附图说明

图1为现有技术中一种基于GPRS的风电齿轮箱远程监测诊断方法系统图；

图2为现有技术中一种风电机组齿轮箱远程监测装置图；

图3为本发明一种用于风电的齿轮箱故障监测装置系统图；

在图1-3中：1、数字信号处理器，2、传感器模块，3、A/D转换模块，4、自组织网通信模块，5、存储模块6、诊断模块，7、移动通信模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，该齿轮箱故障监测装置包括数字信号处理器1、传感器模块2、A/D转换模块3、自组网通信模块4、存储模块5、诊断模块6、移动通信模块7；所述A/D转换模块3、自组网通信模块4、存储模块5、诊断模块6、移动通信模块7均和数字信号处理器1连接；所述传感器模块2和A/D转换模块3连接。

所述数字信号处理器1是该监测装置硬件的核心，对各监测传感器的信号处理、分析、控制、触发报警等，进一步所述数字信号处理器1选用高性能的STM32F103ZE芯片处理器。

所述A/D转换模块3连接数字信号处理器1，A/D转换模块3是将各传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，转换后的数字信号发送给数字信号处理器1分析处理。

所述传感器模块2包括振动传感器、温度传感器、油液质量检测仪。所述齿轮箱中的齿轮由铁质材料制成。

所述振动传感器主要安装在齿轮箱的各个部位，采集齿轮箱在工作的过程中所产生的振动信号，振动传感器采集的模拟信号通过A/D转换模块转换成数字信号，诊断模块6对经A/D转换后的数字信号进行分析判断，齿轮箱是否稳定处于安全的频率和/或振幅范围内。当振动传感器采集的频率数据大于预设的阈值f和/或振幅数据大于预设的阈值A时，判断为振动异常。如果判断为异常，将根据等级通过移动通信模块7上传远端监测中心。

优选的，所述的频率阈值H为1800-3200Hz，所述的振幅阈值A为0.2-0.8mm。进一步的，为了提高用于风电的齿轮箱的使用寿命，减少故障监测装置发送故障信息的次数，频率阈值f与振幅阈值A满足：

A＝α·(H^1/2/3)；

其中，α为转换因子，取值范围为0.01-0.05。

由于齿轮箱在工作的过程中产生大量的热量，齿轮箱的温度过高会导致润滑油的粘度下降，齿轮的润滑效果降低，从而造成齿轮磨损加剧的情况。所述温度传感器是采集润滑油的温度，然后通过A/D转换模块3将采集的模拟信号转换成数字信号。诊断模块6对经A/D转换后的数字信号进行分析判断，齿轮箱中的润滑油的温度T是否稳定允许范围内，该范围为65-80℃；油温过低会导致动能在传输过程中的损耗增加，油温过高则不利于变速箱散热。超过上述温度T的范围，则判断为润滑油温度异常。如果判断为异常将根据等级通过移动通信模块7上传远端监测中心。

所述油液质量检测仪是通过检测油液中的铁磁性磨损颗粒的数量，随着铁磁性磨损颗粒数量的增加会导致油液的品质下降，导致齿轮磨损加剧，进而导致设备出现故障；油液质量检测仪检测油液中粒度为60微米以上的金属磨粒含量Q(个/立方毫米)，通过A/D转换模块3转换成数字信号，诊断模块6对经A/D转换后的数字信号进行分析判断，齿轮箱中的油液中的金属磨粒含量是否处于规定的范围内。如果超过预设的阈值，则判断为异常。如果判断为异常，则将根据等级通过移动通信模块7上传远端监测中心。

为了更好的提高齿轮箱可靠性，减少故障率，所述的齿轮箱中的润滑油的温度T、金属磨粒含量Q之间满足T·Q大于等于2100小于等于5500。

为了进一步提高齿轮箱的可靠性，以减少监测齿轮箱的故障情况出现的次数，所述的齿轮箱中的润滑油的温度T、金属磨粒含量Q、震动频率阈值f之间满足以下关系：

f＝μ·T·Q+f0；

其中，f0为调节频率，取值为500-850Hz；μ调节系数，取值范围为0.24-1.10。

所述移动通信模块7采用3G或者4G无线通信，在环境恶劣的地方，监测装置采用移动通信是最高效、廉价的方案，所述监测装置通过移动通信模块7将经数字信号处理器处理过后的数字信号上传至远端监测中心。

所述诊断模块6一方面通过设备本身各监测传感器所采集的数据分析，预先设置三个故障等级的阈值，故障等级可分为低、中、高，超过故障等级时通过监测装置向远端监测中心发送故障信息；另一方面，本设备的监测数据和临近的监测数据进行对比分析，如监测数据差异大于预设定的阈值时，同样向远端监测中心发送数据对比差异信息。

所述存储模块5是存储各传感器采集的数据信息，诊断模块6可以调用存储模块5上的历史数据进行分析。

所述自组织通信模块选用ZigBee模块，所述ZigBee模块和数字信号处理器连接，每一个ZigBee模块作为一个节点，多个节点自组织形成了一个无线信息传输网络，在该无线信息传输网络中其中一个节点作为网络协调器，远距离节点与作为网络协调器之间的节点作为路由器，每一个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，而且其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转相邻网络节点传过来的数据信息，除此之外，每一个ZigBee网络节点还可以在自己信号覆盖的范围内和多个不承担网络信息中专任务的孤立子节点无线连接。

所述的每一个ZigBee模块作为一个节点，当某个节点发生故障无法向远端监测中心发送故障信息数据时，故障节点向临近的节点发送故障节点的故障信息数据，临近节点作为中转站向远端监测中心发送故障节点的故障信息数据，同时故障节点不间断的把故障信息数据保存在本地存储模块中。

为解决上述技术问题，本发明采用以上装置，提供一种用于风电的齿轮箱故障监测的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、所述振动传感器、温度传感器、油液质量检测仪采集监测数据信息的模拟信号；

步骤二、所述传感器模块通过A/D转换模块将采集到的模拟信号的信息数据转换为数字信号；

步骤三、所述诊断模块预设定为三个诊断故障等级的阈值，所属等级为低、中、高；数字信号处理器对数字信号分析后经诊断模块判断，当超出各等级的阈值时，向远端检测中心发出预警信息；另一方面，所述各监测装置间通过ZigBee模块形成了互联，本监测装置的监测数据和临近节点的监测数据形成对比，如果监测数据的差值超过预设定的阈值时标记为异常，同时将异常的监测数据的差值上传至远端监测中心；

步骤四、在ZigBee网络中当发现某个节点掉队时，那么此节点的临近节点将掉队信息上传至远端监测中心，或者出现某个节点的监测数据、故障异常不能正常上传时，那么此节点的临近节点负责中转上传此节点的监测数据、异常信息。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，其特征在于，该齿轮箱故障监测装置包括：数字信号处理器(1)、传感器模块(2)、A/D转换模块(3)、自组网通信模块(4)、存储模块(5)、诊断模块(6)、移动通信模块(7)；所述A/D转换模块(3)、自组网通信模块(4)、存储模块(5)、诊断模块(6)、移动通信模块(7)均和数字信号处理器(1)连接；所述传感器模块(2)和A/D转换模块(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，其特征在于：所述A/D转换模块连接数字信号处理器，A/D转换模块是将各传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，转换后的数字信号发送给数字信号处理器分析处理。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，其特征在于：所述移动通信模块(7)采用3G或者4G无线通信模块。

4.根据权利要求1-3所述的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，其特征在于：所述自组织通信模块(4)选用ZigBee自组网模块。

5.根据权利要求1-4所述的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，其特征在于：所述传感器模块包括振动传感器、温度传感器、油液质量检测仪。

6.根据权利要求1-5所述的一种用于风电的齿轮箱故障监测装置，其特征在于：所述振动传感器主要安装在齿轮箱的各个部位，采集齿轮箱在工作的过程中所产生的振动信号，振动传感器采集的模拟信号通过A/D转换模块转换成数字信号，诊断模块对经A/D转换后的数字信号进行分析判断，齿轮箱是否稳定处于安全的频率和/或振幅范围内；当振动传感器采集的频率数据大于预设的阈值f和/或振幅数据大于预设的阈值A时，判断为振动异常；如果判断为异常，将根据等级通过移动通信模块上传远端监测中心。