CN113267158A - 一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置和方法，包括控制箱和支架，控制箱连接多个传感器；支架包括安装于底座上的第一支架和靠近液压缸端部设置的第二支架；第一支架的底端紧固于底座上，中段与销轴套筒轴线方向平行，顶端向销轴套筒端部弯折；第一支架的底端、中段、顶端均安装不少于一个传感器；第二支架上安装有不少于两个传感器；传感器的探测头接触销轴套筒或液压缸的外壁；控制箱内设有数据采集机构并连接上位机。本发明包括完整的信号检测、传输、数据收集、数据分析系统，部署方便且便于进一步通过程序软件监测待测目标设备的状态，统一进行测量数据导出和导入，记录测量曲线变化等。

Description

一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置和方法

技术领域

本发明涉及检测测量领域，具体是一种用于风力发电设备齿轮箱齿轮柔性销轴形变量测量装置和方法。

背景技术

柔性销轴是风电齿轮箱的关键核心部件之一。风电齿轮箱运转过程中，为了避免普通销轴受力弯曲而影响齿轮啮合的情况，将风电齿轮箱的销轴采用柔性销轴，使得柔性销轴受到轴承的平衡力而达到工作过程中不变形的目的。但理论计算的柔性销轴由于加工制造、定位、安装等不可避免的误差往往会受到非平衡力而导致柔性销轴像普通销轴一样发生形变，从而影响齿轮啮合，使风电齿轮箱受损，严重甚至会使风电齿轮箱工作中断而造成报废的情况。

目前无法通过理论计算得到柔性销轴的实际平衡点，只有通过模拟风电齿轮箱内柔性销轴受力来看柔性销轴形变程度，通过实际情况反推其理论平衡点的方法。

针对以上问题，考虑到柔性销轴所承载的载荷较小，而形变较小，因此，设计一套电气方案用于柔性销形变量测量，收据数据参数，并同时提升设计产品安全可靠性。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题，所提出的一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置和方法。

本发明是按照以下技术内容实现的。

一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，所述柔性销安装于底座上，柔性销外部嵌套销轴套筒，销轴套筒穿过底座且与底座垂直，底座上还设有向柔性销施加外力的液压缸；其特征在于，所述测量装置包括控制箱和支架，控制箱连接多个传感器，传感器均通过第一线缆连接控制箱；所述支架包括安装于底座上方的行星架，行星架上设有第一支架和第二支架；所述第一支架的底端紧固于行星架上，中段与销轴套筒轴线方向平行，顶端向销轴套筒端部弯折；所述第一支架的底端、中段、顶端均安装不少于一个传感器，其中，部署于底端的传感器的测量头指向底座的表面，部署于中段的传感器的测量头指向销轴套筒的侧壁，部署于顶端的传感器的测量头指向销轴的端部；所述第二支架靠近液压缸端部部署，包括支撑部和横梁，横梁平行于液压缸端部，横梁上安装有不少于两个传感器；所述传感器的探测头接触销轴套筒或液压缸的外壁；所述控制箱内设有数据采集机构，数据采集机构通过第二线缆连接上位机。

进一步的，所述数据采集机构包括通讯模块、主机、多个子机；所述主机和子机分别通过第一线缆连接一个传感器；所述主机和子机还通过控制接口互相串联连接，其尾端连接通讯模块；所述通讯模块通过第二线缆连接上位机。

进一步的，所述传感器型号为HG-S1110；所述主机型号为HG-SC101；所述子机型号为HG-SC111；所述通讯模块型号为SC-HG1-485。

进一步的，所述上位机为PC机，其内部集成RS485接口板卡；所述第二线缆为双绞线，第二线缆与RS485接口板卡相连接。

进一步的，安装于第一支架中段上的传感器数量为五个，且沿着销轴套筒轴线方向等间距排列。

进一步的，所述控制箱内还设有电源模块和环境监控模块；所述电源模块的输入端连接从控制箱外部输入的交流电源；电源模块的第一输出端与输入端短接，电源模块内部设有降压模块，将输入端电压调整为DC24V，并从第二输出端输出；所述第二输出端连接环境监控模块和数据采集机构。

进一步的，所述环境监控模块中设有照明灯、散热风扇、温湿度控制器；所述温湿度控制器的可控开关串联于散热风扇的供电回路中。

进一步的，所述控制箱内设有控制插座和传感器固定架；所述控制插座连接电源模块的第一输出端。

进一步的，所述温湿度控制器的型号为THC031。

一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量方法，所述上位机接收各个子机发出的信号并从中获取各个传感器的实时测量值，其中每个传感器设定一个独立的通道号，在相同的时间点采集各个通道的测量值，并按照固有的采样频率对各个通道做重复采集，采集到的数据存储于上位机的非易失性存储区中；建立数据库；基于所述数据库，做如下处理：

(1)将数据库以表格形式在上位机显示出来；

(2)以时间为参考，用描点的方式绘制各通道实时测量值的变化曲线，并在上位机显示出来；

(3)在设定的时间段内，对一个或多个通道的实时测量值，做求平均值运算和求和运算，并将运算结果在上位机显示出来。

本发明用于风力发电机齿轮箱中的齿轮柔性销轴变形试验台中销轴受载面轴线形变量的数据收集，分别在柔性销轴、底座、液压缸三个部分设置传感器用于位移监测，并将所有传感器测量的实时数据汇总分析计算，判断其形变量是否超标。

本发明具有的优点和有益效果是：

本发明通过微变形采集处理方法得到轴销形变位移的规律，通过控制箱实现对整个系统的控制，它包含控制面板、指示灯、控制回路等，按照高速取样周期对测量值进行循环通信，以高精度数据状态传输给上位设备，精度等级能够达到1μm。同时，本装置适用耐冲击环境，测量结果可靠性高。主机、子机、通讯模块和上位机组成完整的信号检测、传输、数据收集、数据分析系统，部署方便且便于进一步通过程序软件监测待测目标设备的状态，统一进行测量数据导出和导入，记录测量曲线变化等。

附图说明

图1为本发明中传感器及第一支架的安装位置示意图；

图2为本发明中传感器及第二支架的安装位置示意图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明中测量装置的结构框图；

图5为本发明中照明散热及插座等功能模块的电路图；

图6为本发明中温度控制电路的电路图；

图7为本发明中电源模块的电路图。

其中，1.销轴套筒；2.底座；3.第一支架；4.传感器；5.液压缸；6.第二支架；7.行星架。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细的说明。

如图1～7所示，一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，所述柔性销安装于底座2上，柔性销外部嵌套销轴套筒1，销轴套筒1穿过底座2且与底座2垂直，底座2上还设有向柔性销施加外力的液压缸5；其特征在于，所述测量装置包括控制箱和支架，控制箱连接多个传感器4，传感器4均通过第一线缆连接控制箱；所述支架包括安装于底座2上方的行星架7，行星架7上设有第一支架3和第二支架6；所述第一支架3的底端紧固于行星架7上，中段与销轴套筒1轴线方向平行，顶端向销轴套筒1端部弯折；所述第一支架3的底端、中段、顶端均安装不少于一个传感器4，其中，部署于底端的传感器4的测量头指向底座2的表面，部署于中段的传感器4的测量头指向销轴套筒1的侧壁，部署于顶端的传感器4的测量头指向销轴的端部；所述第二支架6靠近液压缸5端部部署，包括支撑部和横梁，横梁平行于液压缸5端部，横梁上安装有不少于两个传感器4；所述传感器4的探测头接触销轴套筒1或液压缸5的外壁；所述控制箱内设有数据采集机构，数据采集机构通过第二线缆连接上位机。传感器4的安装使用时，为满足测量进度需求，传感器探测头与被测目标设备保持垂直，并接触到被测目标设备表面。本段提到了行星架7，第一支架3，第二支架6，三者的具体形态，可以不必完全按此方式设计。行星架7通过螺钉固定在底座2上，第一支架3和第二支架6的作用是安装传感器4，而销轴的侧壁，销轴的端部都是必须要部署传感器4的位置，此外支架和底座2之间也需要部署传感器4，主要是考虑测量过程中要对底座2变形同时监测，实现数据收集，柔性销变形影响及提供参考数据。

所述数据采集机构包括通讯模块、主机、多个子机；所述主机和子机分别通过第一线缆连接一个传感器4；所述主机和子机还通过控制接口互相串联连接，其尾端连接通讯模块；所述通讯模块通过第二线缆连接上位机。

所述传感器4型号为HG-S1110；为松下公司生产的接触式数字位移传感器，测量精度可达到全范围:1.0μm以下，窄范围:0.5μm以下(任意60μm)。所述主机型号为HG-SC101，子机型号为HG-SC111，同为松下公司设计制造，可与传感器4配套使用；所述通讯模块型号为SC-HG1-485。第一线缆为上述组件配套的专用线缆，既可用于传输信号(传感器向主机或子机方向)，也可用于传输电能(主机或子机向传感器方向)。

所述上位机为PC机，其内部集成RS485接口板卡；所述第二线缆为双绞线，第二线缆与RS485接口板卡相连接。上位机通过接口板卡读取来自各个传感器的数据，并统一汇总分析存储。借助上位机强大的处理能力，一旦检测到的数据超出标准数值，操作者可以快速地发现。

安装于第一支架3中段上的传感器4数量为五个，且沿着销轴套筒1轴线方向等间距排列。每两个传感器之间的距离为100-200mm。传感器均匀分布，测量出柔性销轴在不同大小压力下的位移量从而获得相应形变规律。

所述控制箱内还设有电源模块和环境监控模块；所述电源模块的输入端连接从控制箱外部输入的交流电源；电源模块的第一输出端与输入端短接，电源模块内部设有降压模块，将输入端电压调整为DC24V，并从第二输出端输出；所述第二输出端连接环境监控模块和数据采集机构。

所述环境监控模块中设有照明灯、散热风扇、温湿度控制器；所述温湿度控制器的可控开关串联于散热风扇的供电回路中。

所述控制箱内设有控制插座和传感器固定架；所述控制插座连接电源模块的第一输出端。

外部输入电源为AC230V，该电源短接至第一输出端；如图5和图6所示：

第一输出端为照明回路供电，照明回路内包括通过线缆串联的空气开关6F1、端子X22、行程开关6S1、照明灯6E1。

第一输出端还为散热风扇回路供电，散热风扇回路中包括通过线缆串联的空气开关6F2、散热风扇6M2、以及温湿度控制器中的一个可控开关，回路从图5中箭头所示位置，接入图6中COM2和NO2触点；COM2和NO2为该可控开关的常开触点，此可控开关串联在散热风扇回路中用于控制风扇启动、停止。

第一输出端还为控制插座回路供电，控制插座回路中包括通过线缆串联的空气开关6F3、控制插座6X4。

电源模块的第二输出端输出DC24V电源。

第二输出端通过空气开关6F5连接控制温湿度控制器。温湿度控制器中串入散热风扇回路的可控开关联动机制设定为：散热风扇设定值35℃,温度滞回5℃。这样当t≥35℃，可控开关的常开触点闭合，散热风扇启动；当t≤30℃，可控开关的常开触点断开，散热风扇停止。

一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量方法，所述上位机接收各个子机发出的信号并从中获取各个传感器的实时测量值，其中每个传感器设定一个独立的通道号，在相同的时间点采集各个通道的测量值，并按照固有的采样频率对各个通道做重复采集，采集到的数据存储于上位机的非易失性存储区中；建立数据库；基于所述数据库，做如下处理：

(1)将数据库以表格形式在上位机显示出来；

(2)以时间为参考，用描点的方式绘制各通道实时测量值的变化曲线，并在上位机显示出来；

(3)在设定的时间段内，对一个或多个通道的实时测量值，做求平均值运算和求和运算，并将运算结果在上位机显示出来。

本发明的使用方法及原理为：

首先完成传感器4安装，将传感器4安装于第一支架3和第二支架6上。第一支架3和第二支架6安装到行星架上，通过微调第一支架3和第二支架6的位置使传感器4与销轴对中。

电源模块将外部输入的230V交流电源转为DC24V，并为主机、子机、通讯模块、温湿度控制器等供电，主机和子机通过第一线缆为传感器4供电。传感器安装完毕，便不再移动，如果待测目标设备表面发生形变，例如销轴套筒1出现形变，那么传感器的侧头会受到挤压或与待测目标设备表面脱离，虽然这种形变量往往很小，但传感器4的测量头能够感知到1μm的位移变化，测量精度很高。

本装置中可以配置一个主机和多个子机，每个子机或主机与传感器的组合，作为一个测量通道。测量通道的总数量根据实际需要而定，但使用中，测量通道的数量会有冗余，从而部分测量通道处于闲置状态，虽然也部署在控制箱中但没有通电，只作为备用。由于传感器4和子机均为高精度设备，因此不能随意摆放，故控制箱中设置专用的设备支架，用于安放备用的传感器。

本装置通电工作后，主机和子机采集传感器测量的实时数值，通过通讯模块，将其发送给上位机，从而实现对被测目标设备的实时监测。第一次安装时，传感器4的探测头接触到被测目标设备，PC机端将对应的测量值清零。之后如果某个测量通道上的读数，偏离0值超出阈值范围，即认为该通道读数异常。如果接触同一个目标设备同一表面的传感器4的读数出现有规律的波动，上位机通过统计计算分析，也可尽快识别出来，从而为测量操作人员提供可靠的数据参考。

Claims (10)

1.一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，所述柔性销安装于底座(2)上，柔性销外部嵌套销轴套筒(1)，销轴套筒(1)穿过底座(2)且与底座(2)垂直，底座(2)上还设有向柔性销施加外力的液压缸(5)；其特征在于，所述测量装置包括控制箱和支架，控制箱连接多个传感器(4)，传感器(4)均通过第一线缆连接控制箱；所述支架包括安装于底座(2)上方的行星架(7)，行星架(7)上设有第一支架(3)和第二支架(6)；所述第一支架(3)的底端紧固于行星架(7)上，中段与销轴套筒(1)轴线方向平行，顶端向销轴套筒(1)端部弯折；所述第一支架(3)的底端、中段、顶端均安装不少于一个传感器(4)，其中，部署于底端的传感器(4)的测量头指向底座(2)的表面，部署于中段的传感器(4)的测量头指向销轴套筒(1)的侧壁，部署于顶端的传感器(4)的测量头指向销轴的端部；所述第二支架(6)靠近液压缸(5)端部部署，包括支撑部和横梁，横梁平行于液压缸(5)端部，横梁上安装有不少于两个传感器(4)；所述传感器(4)的探测头接触销轴套筒(1)或液压缸(5)的外壁；所述控制箱内设有数据采集机构，数据采集机构通过第二线缆连接上位机。

2.如权利要求1所述的一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，其特征在于，所述数据采集机构包括通讯模块、主机、多个子机；所述主机和子机分别通过第一线缆连接一个传感器(4)；所述主机和子机还通过控制接口互相串联连接，其尾端连接通讯模块；所述通讯模块通过第二线缆连接上位机。

3.如权利要求1所述的一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，其特征在于，所述传感器(4)型号为HG-S1110；所述主机型号为HG-SC101；所述子机型号为HG-SC111；所述通讯模块型号为SC-HG1-485。

4.如权利要求1所述的一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，其特征在于，所述上位机为PC机，其内部集成RS485接口板卡；所述第二线缆为双绞线，第二线缆与RS485接口板卡相连接。

5.如权利要求1所述的一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，其特征在于，安装于第一支架(3)中段上的传感器(4)数量为五个，且沿着销轴套筒(1)轴线方向等间距排列。

6.如权利要求1所述的一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，其特征在于，所述控制箱内还设有电源模块和环境监控模块；所述电源模块的输入端连接从控制箱外部输入的交流电源；电源模块的第一输出端与输入端短接，电源模块内部设有降压模块，将输入端电压调整为DC24V，并从第二输出端输出；所述第二输出端连接环境监控模块和数据采集机构。

7.如权利要求6所述的一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，其特征在于，所述环境监控模块中设有照明灯、散热风扇、温湿度控制器；所述温湿度控制器的可控开关串联于散热风扇的供电回路中。

8.如权利要求6所述的一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，其特征在于，所述控制箱内设有控制插座和传感器固定架；所述控制插座连接电源模块的第一输出端。

9.如权利要求6所述的一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量装置，其特征在于，所述温湿度控制器的型号为THC031。

10.一种风力发电机齿轮箱柔性销形变量测量方法，其特征在于，所述上位机接收各个子机发出的信号并从中获取各个传感器的实时测量值，其中每个传感器设定一个独立的通道号，在相同的时间点采集各个通道的测量值，并按照固有的采样频率对各个通道做重复采集，采集到的数据存储于上位机的非易失性存储区中；建立数据库；基于所述数据库，做如下处理：

(1)将数据库以表格形式在上位机显示出来；

(2)以时间为参考，用描点的方式绘制各通道实时测量值的变化曲线，并在上位机显示出来；

(3)在设定的时间段内，对一个或多个通道的实时测量值，做求平均值运算和求和运算，并将运算结果在上位机显示出来。

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