CN112459972A - 风力发电机主轴承状态监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电机技术领域，是一种风力发电机主轴承状态监测装置及其监测方法，包括安装固定板、悬臂梁、质量块、光发射单元、光扫描滤波单元、光纤耦合器、信号转换模块、数据采集卡、上位机、用于安装主轴承的轴承座和用于监测主轴承状态相关数据的状态监测单元；安装固定板的一侧与轴承座外侧固定连接在一起。本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过设置状态监测单元为多个FBG传感器串联组成，具有布线简单、不易受电磁干扰以及稳定性强的特点，从而解决了现有的风力发电机主轴承监测存在的布线复杂、易受电磁干扰以及稳定性差的问题，保证了风力发电机健康安全的运行，提高了风力发电机的运行寿命。

Description

风力发电机主轴承状态监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，是一种风力发电机主轴承状态监测装置及其监测方法。

背景技术

风力发电机由于具有运行工况复杂、环境恶劣、保养周期长及维修成本高等特点，要求其机械系统具有较高的可靠性，在风力机的各组成部件中，主轴承是传动系统中最重要，也是最容易损坏的部件之一，若风力机的主轴承出现故障，将会影响整个风力机的运行，甚至造成严重的安全事故，因此，就需要及时有效地对风力机主轴承进行状态监测，而现有的风力机主轴承监测都是基于电类传感器进行的，存在布线复杂、易受电磁干扰以及稳定性差的问题，从而不能保证风力机健康安全运行，使风力机的运行寿命降低。

发明内容

本发明提供了一种风力发电机主轴承状态监测装置及其监测方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有风力发电机主轴承监测存在的布线复杂、易受电磁干扰以及稳定性差的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种风力发电机主轴承状态监测装置，包括安装固定板、悬臂梁、质量块、光发射单元、光扫描滤波单元、光纤耦合器、信号转换模块、数据采集卡、上位机、用于安装主轴承的轴承座和用于监测主轴承状态相关数据的状态监测单元；

安装固定板的一侧与轴承座外侧固定连接在一起，安装固定板的另一侧与悬臂梁的一端固定连接在一起，悬臂梁远离安装固定板的一端外侧固定设有质量块；

光发射单元与光扫描滤波单元连接，光扫描滤波单元分别与光纤耦合器和数据采集卡连接，光纤耦合器分别与状态检测单元和信号转换模块连接，信号转换模块与数据采集卡连接，数据采集卡与上位机连接；

状态监测单元包括单根光纤和刻在单根光纤上的温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块之间设有间距，温度监测模块和应变监测模块设置在主轴承外圈上，振动监测模块设置在悬臂梁外侧，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块均为FBG传感器，单根光纤与光纤耦合器连接。

下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：

上述光发射单元可包括电源、宽带光源和光纤隔离器，电源、宽带光源和光纤隔离器依次连接，光纤隔离器与光扫描滤波单元连接。

上述光扫描滤波单元可包括可调滤波器和功放模块，可调滤波器分别与光纤隔离器、光纤耦合器和功放模块连接，功放模块与数据采集卡连接。

上述信号转换模块可包括光电转换元件、运算放大器和信号输出端子，光电转换元件分别与光纤耦合器和运算放大器连接，信号输出端子分别与运算放大器和数据采集卡连接。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种风力发电机主轴承状态监测方法，包括：

光扫描滤波单元接收光发射单元发出的光信号进行扫描滤波，并将扫描滤波之后的光信号通过光纤耦合器输出至状态监测单元；

风力机主轴承工作时，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块分别监测工作时主轴承的温度、应变和振动状态信号，具体包括：

1、风机主轴承工作时，主轴承温度变化引起温度监测模块的中心波长发生相应变化，温度监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；

2、风机主轴承工作时，主轴承应变变化引起应变监测模块的中心波长发生相应改变，应变监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；

3、风机主轴承工作时，主轴承振动引起振动监测模块的中心波长发生相应改变，振动监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；

光纤耦合器将温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块反射的光信号输出至信号转换模块，信号转换模块将接收到的光信号转换为电信号输出至数据采集卡，数据采集卡将电信号输出至上位机进行分析处理。

下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进：

上述光扫描滤波单元接收光发射单元发出的光信号进行扫描滤波包括：

上位机通过数据采集卡向功放模块发送电信号，功放模块将接收到的电信号进行放大后输出至可调滤波器，驱动可调滤波器对接收到的光信号进行扫描滤波。

上述信号转换模块将接收到的光信号转换为电信号输出至数据采集卡包括：

光纤耦合器将温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块反射的光信号输出至光电转换元件，光电转换元件将光信号转换为电信号输出至运算放大器，运算放大器将电信号转换为放大倍数的电信号输出至数据采集卡。

本发明结构合理而紧凑，使用方便，通过设置状态监测单元为多个FBG传感器串联组成，具有布线简单、不易受电磁干扰以及稳定性强的特点，从而解决了现有的风力发电机主轴承监测存在的布线复杂、易受电磁干扰以及稳定性差的问题，保证了风力发电机健康安全的运行，提高了风力发电机的运行寿命。

附图说明

附图1为本发明的电路连接示意图。

附图2为本发明的主视结构示意图。

附图中的编码分别为：1为安装固定板，2为悬臂梁，3为质量块，4为数据采集卡，5为上位机，6为轴承座，7为单根光纤，8为温度监测模块，9为应变监测模块，10为振动监测模块，11为电源，12为宽带光源，13为光纤隔离器，14为光纤耦合器，15为可调滤波器，16为光电转换元件，17为运算放大器，18为信号输出端子，19为信号转换模块，20为主轴承，21为功放模块。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图2的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图2的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例一：如附图1、2所示，该风力发电机主轴承状态监测装置包括安装固定板1、悬臂梁2、质量块3、光发射单元、光扫描滤波单元、光纤耦合器14、信号转换模块19、数据采集卡4、上位机5、用于安装主轴承20的轴承座6和用于监测主轴承20状态相关数据的状态监测单元；

安装固定板1的一侧与轴承座6外侧固定连接在一起，安装固定板1的另一侧与悬臂梁2的一端固定连接在一起，悬臂梁2远离安装固定板1的一端外侧固定设有质量块3；

光发射单元与光扫描滤波单元连接，光扫描滤波单元分别与光纤耦合器14和数据采集卡4连接，光纤耦合器14分别与状态检测单元和信号转换模块19连接，信号转换模块19与数据采集卡4连接，数据采集卡4与上位机5连接；

状态监测单元包括单根光纤7和刻在单根光纤7上的温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10，温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10之间设有间距，温度监测模块8和应变监测模块9设置在主轴承20外圈上，振动监测模块10设置在悬臂梁2外侧，温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10均为FBG传感器，单根光纤7与光纤耦合器14连接。

上述质量块3用于增加振动监测模块10的振动敏感性，便于对主轴承20振动时的振动信号进行监测；

上述光纤耦合器14可为现有公知的1×2光纤耦合器14，用于接收光扫描滤波单元输出的光信号，并将接收到的光信号输出至单根光纤7；同时光纤耦合器14能够接收温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10反射的光信号，并将反射的光信号输出至信号转换模块19；

上述信号转换模块19用于接收光纤耦合器14发出的光信号，并将接收到的光信号进行转换处理为电信号输出；

上述数据采集卡4为现有公知技术，用于接收信号转换模块19输出的电信号，并将接收到的电信号输出至上位机5分析处理；同时数据采集卡4能够接收上位机5输出的电信号，并将接收到的电信号输出至光扫描滤波单元；

上述光扫描滤波单元用于接收数据采集卡4输出的电信号以及光发射单元输出的光信号，并根据电信号对接收到的光信号进行扫描滤波，将扫描滤波之后的光信号输出至状态检测单元；

上述温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10均为多个FBG传感器串联组成，FBG传感器是一种绝缘体无源物质，对被测物体不会产生影响，且耐高压、耐腐蚀，能在恶劣的环境下工作，相比于传统电类传感器，具有质量轻、体积小、环境适应性强、不受电磁干扰、信号传输距离远、复用能力强等特点，便于对风力发电机主轴承20的温度、应变和振动等状态相关数据进行监测，保证风力发电机健康安全运行，提高风力发电机运行寿命，并将监测到的信息以反射光信号的方式输出至光纤耦合器14；

通过设置温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10之间设有间距，便于对温度、应变和振动三个不同的物理量进行测量，防止温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10之间产生信号干扰；

通过将温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10均刻在单根光纤7上，只需要单根光纤7即可将温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10串联在一起，避免了需要接多根线进行温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10的连接；

通过将温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10均刻在单根光纤7上，在单根光纤7上形成光纤光栅，因为光纤光栅采用波长编码技术，当光纤耦合器14发出的光信号射入单根光纤7时，大部分光会透射，只有特定波长的光会被反射至光纤耦合器14，反射光信号的中心波长为该光纤光栅的中心波长，当光纤光栅的温度、应变或振动状态发生变化时，其反射光信号的中心波长也会发生相应的漂移，因此可通过监测光纤光栅反射光信号的中心波长的变化，获取光纤光栅的温度、应变和振动状态的变化，实现对主轴承20温度、应变和振动状态的监测；

风力发电机运行过程中，风力发电机主轴承20外圈是固定不动的，因此可通过粘贴的方式将温度监测模块8和应变监测模块9固定在主轴承20外圈外侧，便于对主轴承20进行温度和应变状态的监测；风力发电机主轴承20运行时会产生振动，使得固定在轴承座6外侧的悬臂梁2也产生振动，但是FBG传感器本身只对温度和应变敏感，为了实现对振动状态的监测，因此需要将振动监测模块10可通过粘贴的方式固定在悬臂梁2外侧表面，便于对主轴承20进行振动状态的监测；

通过设置温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10具有不同的中心波长，在风力发电机主轴承20工作时，主轴承20发热使主轴承20的温度发生变化，主轴承20温度的变化使温度监测模块8的中心波长发生相应改变，且温度监测模块8将中心波长发生变化的光信号输出至光纤耦合器14，通过光纤耦合器14将光信号输出至信号转换模块19，信号转换模块19将光信号转换为电信号被数据采集卡4采集，并通过数据采集卡4将电信号输出至上位机5，从而通过上位机5对电信号进行分析处理实现对风力发电机主轴承20温度状态的监测；

风力发电机主轴承20工作时，主轴承20外圈应变信息会发生变化，使应变监测模块9的中心波长发生相应的改变，且应变监测模块9将中心波长发生变化的光信号输出至光纤耦合器14，通过光纤耦合器14将光信号输出至信号转换模块19，信号转换模块19将光信号转换为电信号被数据采集卡4采集，并通过数据采集卡4将电信号输出至上位机5，从而通过上位机5对电信号进行分析处理实现对风力发电机主轴承20应变状态的监测；

风力发电机主轴承20工作时，主轴承20的振动信息会发生变化，使振动监测模块10的中心波长发生相应的改变，且振动监测模块10将中心波长发生变化的光信号输出至光纤耦合器14，通过光纤耦合器14输出至信号转换模块19，信号转换模块19将光信号转换为电信号被数据采集卡4采集，并通过数据采集卡4将电信号输出至上位机5，从而通过上位机5对电信号进行分析处理实现对风力发电机主轴承20振动状态的监测。

综上本发明通过设置状态监测单元为多个FBG传感器串联组成，具有布线简单、不易受电磁干扰以及稳定性强的特点，从而解决了现有的风力发电机主轴承20监测存在的布线复杂、易受电磁干扰以及稳定性差的问题，保证了风力发电机健康安全的运行，提高了风力发电机的运行寿命。

可根据实际需要，对上述风力发电机主轴承状态监测装置作进一步优化或/和改进：

如附图1所示，光发射单元包括电源11、宽带光源12和光纤隔离器13，电源11、宽带光源12和光纤隔离器13依次连接，光纤隔离器13与光扫描滤波单元连接。

上述电源11可为直流稳压电源11，用于给宽带光源12供电；上述宽带光源12为现有公知的ASE宽带光源12，用于提供光源光信号；

上述光纤隔离器13可为现有公知的具有单向通道的光纤隔离器13，能够接收宽带光源12的发出的光信号并将光信号输出至光扫描滤波单元，同时对宽带光源12起保护作用，能够防止光信号回射进入宽带光源12损坏宽带光源12。

如附图1所示，光扫描滤波单元包括可调滤波器15和功放模块21，可调滤波器15分别与光纤隔离器13、光纤耦合器14和功放模块21连接，功放模块21与数据采集卡4连接。

上述功放模块21为现有公知技术，用于接收数据采集卡4输出的电信号，并将电信号放大后输出至可调滤波器15；上述可调滤波器15为现有公知的可谐调F-P滤波器，由上位机5发出锯齿波信号，通过数据采集卡4将锯齿波信号发送至功放模块21进行放大，并将放大之后的锯齿波信号输出至可调滤波器15，驱动可调滤波器15对接收到的光信号波长进行扫描滤波，在一个锯齿波信号周期内，能够对可调滤波器15接收到的光信号进行一次扫描滤波，实现对不同波长的光信号进行扫描滤波，并将扫描滤波之后的光信号输出至光纤耦合器14。

如附图1所示，信号转换模块19包括光电转换元件16、运算放大器17和信号输出端子18，光电转换元件16分别与光纤耦合器14和运算放大器17连接，信号输出端子18分别与运算放大器17和数据采集卡4连接。

上述光电转换元件16可为现有公知的光电二极管，用于接收光纤耦合器14输出的光信号并根据接到的光信号波长产生相对应的电信号输出至运算放大器17；上述运算放大器17为现有公知技术，用于将接收到的电信号转换为放大倍数的电信号，并通过信号输出端子18将电信号输出至数据采集卡4。

实施例二：一种风力发电机主轴承状态监测方法，包括：

S101，光扫描滤波单元接收光发射单元发出的光信号进行扫描滤波，并将扫描滤波之后的光信号通过光纤耦合器14输出至状态监测单元；

S102，风力机主轴承20工作时，温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10分别监测工作时主轴承20的温度、应变和振动状态信号，具体包括：

1、风机主轴承20工作时，主轴承20温度变化引起温度监测模块8的中心波长发生相应变化，温度监测模块8通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器14；

2、风机主轴承20工作时，主轴承20应变变化引起应变监测模块9的中心波长发生相应改变，应变监测模块9通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器14；

3、风机主轴承20工作时，主轴承20振动引起振动监测模块10的中心波长发生相应改变，振动监测模块10通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器14；

S103，光纤耦合器14将温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10反射的光信号输出至信号转换模块19，信号转换模块19将接收到的光信号转换为电信号输出至数据采集卡4，数据采集卡4将电信号输出至上位机5进行分析处理。

可根据实际需要，对上述风力发电机主轴承状态监测方法作进一步优化或/和改进：

光扫描滤波单元接收光发射单元发出的光信号进行扫描滤波包括：

上位机5通过数据采集卡4向功放模块21发送电信号，功放模块21将接收到的电信号进行放大后输出至可调滤波器15，驱动可调滤波器15对接收到的光信号进行扫描滤波。

信号转换模块19将接收到的光信号转换为电信号输出至数据采集卡4包括：

光纤耦合器14将温度监测模块8、应变监测模块9和振动监测模块10反射的光信号输出至光电转换元件16，光电转换元件16将光信号转换为电信号输出至运算放大器17，运算放大器17将电信号转换为放大倍数的电信号输出至数据采集卡4。

上述由上位机5发出锯齿波信号，通过数据采集卡4将锯齿波信号发送至功放模块21进行放大，并将放大之后的锯齿波信号输出至可调滤波器15，驱动可调滤波器15对接收到的光信号波长进行扫描滤波，在一个锯齿波信号周期内，能够对可调滤波器15接收到的光信号进行一次扫描滤波，实现对不同波长的光信号进行扫描滤波，并将扫描滤波之后的光信号输出至光纤耦合器14。

实施例三：宽带光源12通过光纤隔离器13发送光信号至可调滤波器15，同时上位机5发送锯齿波信号通过数据采集卡4输出至功放模块21，功放模块21对接收到的锯齿波信号进行放大后输出至可调滤波器15，并通过接收到的锯齿波信号驱动可调滤波器15对接收到的中心波长为1530nm光信号进行扫描滤波，然后将扫描滤波之后的光信号输出至单根光纤7，通过设置温度监测模块8的中心波长为1530nm，随着主轴承20运行过程中温度的变化，使温度监测模块8的中心波长发生相应变化，并通过温度监测模块8将中心波长发生变化的光信号输出至光纤耦合器14，然后通过光纤耦合器14输出至光电转换元件16，光电转换元件16根据光信号的波长产生相应特征的电信号，并将电信号输出至运算放大器17，通过运算放大器17将电信号转换为放大倍数的电信号，然后通过信号输出端子18被数据采集卡4采集，并将采集到的电信号输出至上位机5，上位机5对接收到的电信号进行分析处理，实现对风力发电机主轴承20温度状态的监测；应变监测模块9和振动监测模块10的监测过程与上述温度监测模块8过程相同，此处不再赘述。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (7)

1.一种风力发电机主轴承状态监测装置，其特征在于包括安装固定板、悬臂梁、质量块、光发射单元、光扫描滤波单元、光纤耦合器、信号转换模块、数据采集卡、上位机、用于安装主轴承的轴承座和用于监测主轴承状态相关数据的状态监测单元；

安装固定板的一侧与轴承座外侧固定连接在一起，安装固定板的另一侧与悬臂梁的一端固定连接在一起，悬臂梁远离安装固定板的一端外侧固定设有质量块；

光发射单元与光扫描滤波单元连接，光扫描滤波单元分别与光纤耦合器和数据采集卡连接，光纤耦合器分别与状态检测单元和信号转换模块连接，信号转换模块与数据采集卡连接，数据采集卡与上位机连接；

状态监测单元包括单根光纤和刻在单根光纤上的温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块之间设有间距，温度监测模块和应变监测模块设置在主轴承外圈上，振动监测模块设置在悬臂梁外侧，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块均为FBG传感器，单根光纤与光纤耦合器连接。

2.根据权利要求1所述的风力发电机主轴承状态监测装置，其特征在于光发射单元包括电源、宽带光源和光纤隔离器，电源、宽带光源和光纤隔离器依次连接，光纤隔离器与光扫描滤波单元连接。

3.根据权利要求2所述的风力发电机主轴承状态监测装置，其特征在于光扫描滤波单元包括可调滤波器和功放模块，可调滤波器分别与光纤隔离器、光纤耦合器和功放模块连接，功放模块与数据采集卡连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的风力发电机主轴承状态监测装置，其特征在于信号转换模块包括光电转换元件、运算放大器和信号输出端子，光电转换元件分别与光纤耦合器和运算放大器连接，信号输出端子分别与运算放大器和数据采集卡连接。

5.一种根据权利要求1至4所述的风力发电机主轴承状态监测方法，其特征在于包括：

光扫描滤波单元接收光发射单元发出的光信号进行扫描滤波，并将扫描滤波之后的光信号通过光纤耦合器输出至状态监测单元；

风力机主轴承工作时，温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块分别监测工作时主轴承的温度、应变和振动状态信号，具体包括：

1、风机主轴承工作时，主轴承温度变化引起温度监测模块的中心波长发生相应变化，温度监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；

2、风机主轴承工作时，主轴承应变变化引起应变监测模块的中心波长发生相应改变，应变监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；

3、风机主轴承工作时，主轴承振动引起振动监测模块的中心波长发生相应改变，振动监测模块通过反射光信号的方式将中心波长的变化输出至光纤耦合器；

光纤耦合器将温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块反射的光信号输出至信号转换模块，信号转换模块将接收到的光信号转换为电信号输出至数据采集卡，数据采集卡将电信号输出至上位机进行分析处理。

6.根据权利要求5所述的风力发电机主轴承状态监测方法，其特征在于光扫描滤波单元接收光发射单元发出的光信号进行扫描滤波包括：

上位机通过数据采集卡向功放模块发送电信号，功放模块将接收到的电信号进行放大后输出至可调滤波器，驱动可调滤波器对接收到的光信号进行扫描滤波。

7.根据权利要求5所述的风力发电机主轴承状态监测方法，其特征在于信号转换模块将接收到的光信号转换为电信号输出至数据采集卡包括：

光纤耦合器将温度监测模块、应变监测模块和振动监测模块反射的光信号输出至光电转换元件，光电转换元件将光信号转换为电信号输出至运算放大器，运算放大器将电信号转换为放大倍数的电信号输出至数据采集卡。

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