CN113623142B - 风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，包括：首先，监测变桨系统的变桨角度，通过变桨角度确定需要评估寿命的啮合齿。然后，实时监测变桨电机转矩值，并根据转矩值折算每个评估对象的实时载荷。之后，将实时载荷与评估对象的载荷谱进行匹配，确定实时载荷对应的载荷谱区间，并记录评估对象对应的载荷谱区间的受载时长，统计变桨过程中评估对象对应的不同载荷谱区间的受载时长。最后，将统计得到的不同载荷谱区间对应的受载时长与相应载荷谱区间的使用寿命进行比较，确定评估对象的剩余使用时长，实现对变桨轴承齿的寿命评估。提前发现可能存在断齿风险的变桨轴承齿，减少由于轴承齿损坏导致的故障停机时间，保证机组运行安全。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机的监控或测试技术领域，具体涉及一种风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法。
背景技术
风力发电机组变桨系统是整个机组的安全系统，其可靠性、寿命影响整个机组的安全。变桨轴承作为电动变桨系统传动的关键部件，主要通过与变桨减速箱的齿面啮合来传递转矩，而变桨轴承齿作为整个变桨传动系统中最薄弱的环节，其寿命决定了整个系统的寿命，其可靠性影响整个机组的安全。如何在机组运行过程中对变桨轴承齿的疲劳寿命进行准确判断，在变桨轴承齿疲劳损坏前提早发现是电动变桨系统的一个难题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，对风力发电机组的变桨轴承齿的寿命进行评估，以提早发现变桨轴承齿疲劳损坏。
具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，包括：
采集变桨系统的变桨角度，通过变桨角度确定评估对象；
实时监测变桨系统的转矩，根据转矩折算评估对象的实时载荷；
根据实时载荷统计变桨过程中评估对象对应的不同载荷谱区间的受载时长；
通过评估对象对应的统计结果和载荷谱时长评估变桨轴承齿的使用寿命。
结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，所述通过变桨角度确定评估对象包括：
确定所述变桨角度对应的啮合角度范围；
通过啮合角度范围对应的啮合齿确定所述评估对象。
结合第一方面，在第一方面的第二种可实现方式中，所述根据转矩折算评估对象的实时载荷包括：
根据变桨系统实时的转矩和结构参数折算变桨轴承齿面的载荷；
通过变桨轴承齿面的载荷和评估对象的数量计算评估对象的实时载荷。
结合第一方面，在第一方面的第三种可实现方式中，所述根据实时载荷统计评估对象对应的不同载荷谱区间的受载时长包括：
获取不同载荷谱区间对应的载荷范围；
通过载荷范围确定评估对象的实时载荷所属的载荷谱区间，并记录评估对象处于该载荷谱区间的持续时长；
统计变桨过程中不同载荷谱区间对应的持续时长，得到所述评估对象处于不同载荷谱区间的时长。
结合第一方面，在第一方面的第四种可实现方式中，所述通过评估对象对应的统计结果和载荷谱时长评估变桨轴承齿的使用寿命，包括：
获取评估对象的载荷谱时长，该载荷谱时长包括评估对象对应的不同载荷谱区间当前剩余的使用寿命；
通过统计结果和载荷谱时长计算评估对象在不同载荷谱区间的剩余时长；
根据评估对象在不同载荷谱区间的剩余时长评估变桨轴承齿的使用寿命。
第二方面，提供了一种存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序运行时，执行第一方面、第一方面的第一至四种可实现方式中的任意一种风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法。
第三方面，提供了一种风力发电机组控制方法，包括：
采用第一方面、第一方面的第一至四种可实现方式中的任意一种风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，评估变桨轴承齿的使用寿命：
判定使用寿命是否小于预设阈值；
响应于使用寿命小于阈值，禁止启动风力发电机组。
结合第三方面，在第三方面的第一种可实现方式中，所述判定使用寿命是否小于预设阈值包括：
根据剩余时长计算评估对象在不同载荷谱区间的剩余百分比；
判定最小剩余百分比是否小于预设阈值；
响应于最小剩余百分比小于阈值，禁止启动风力发电机组。
结合第三方面的第一种可实现方式，在第三方面的第一种可实现方式中，所述预设阈值为10％。
第四方面，提供了一种存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序运行时，执行第三方面的第一种可实现方式中的风力发电机组控制方法。
有益效果：采用本发明的风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，通过变桨系统的变桨角度和转矩实时监控，计算得出轴承齿的实际受力情况，并通过与载荷谱比对，得出轴承齿的实际剩余寿命，实现对变桨轴承齿的寿命评估。提前发现可能存在断齿风险的变桨轴承齿，做好风险应对措施，减少由于轴承齿损坏导致的故障停机时间，保证机组运行安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例提供的风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法的流程图；
图2为计算受载时长的方法的流程图；
图3为评估变桨轴承齿使用寿命的流程图；
图4为风力发电机组的控制方法流程图；
图5为载荷谱的示意图；
图6为图5中方框部分的载荷数据。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示的风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法的流程图，该评估方法包括：
步骤1、采集变桨系统的变桨角度，通过变桨角度确定评估对象；
步骤2、实时监测变桨系统的转矩，根据转矩折算评估对象的实时载荷；
步骤3、根据实时载荷统计变桨过程中评估对象对应的不同载荷谱区间的受载时长；
步骤4、通过评估对象对应的统计结果和载荷谱时长评估变桨轴承齿的使用寿命。
具体而言，首先，可以通过风力发电机组变桨系统的电控系统监控变桨系统的变桨角度，由于变桨角度是与变桨轴承齿的啮合齿相对应的，所以通过变桨系统的变桨角度可以直接确定需要评估寿命的啮合齿。然后，通过电控系统实时监测变桨系统中的变桨电机转矩值，并根据转矩值折算每个评估对象的载荷，得到每个评估对象的实时载荷，如此可以确定每个评估对象在整个变桨过程中的实时载荷情况。
之后，将计算得到的实时载荷与预先获取到的评估对象的载荷谱进行匹配，载荷谱包括不同载荷谱区间对应的载荷数值范围和使用寿命，将实时载荷与载荷数值范围进行比较可以确定实时载荷对应的载荷谱区间，并记录评估对象对应的该载荷谱区间的受载时长。变桨结束后，可以统计整个变桨过程中不同载荷谱区间的时长数据，得到整个变桨过程中评估对象处于不同载荷谱区间的受载时长。最后，将统计得到的不同载荷谱区间对应的受载时长与相应载荷谱区间的使用寿命进行比较，从而确定评估对象的剩余使用时长，并以此评估变桨轴承齿的使用寿命。
在本实施例中，优选的，所述通过变桨角度确定评估对象包括：
确定所述变桨角度对应的啮合角度范围；
通过啮合角度范围对应的啮合齿确定所述评估对象。
变桨轴承齿设计时通常是设计一整圈均匀的齿牙，因而变桨轴承齿中不同的啮合齿分别对应不同的啮合角度范围。如此，通过匹配变桨角度所属的啮合角度范围即可确定啮合的齿牙，即评估对象。
在本实施例中，优选的，所述根据转矩折算评估对象的实时载荷包括：
根据变桨系统实时的转矩和结构参数折算变桨轴承齿面的载荷；
通过变桨轴承齿面的载荷和评估对象的数量计算评估对象的实时载荷。
具体而言，变桨电机和变桨轴承齿之间是通过减速箱传动，变桨轴承齿齿面的载荷P可以通过变桨电机的实时转矩T0、减速箱的减速比γ，以及变桨轴承齿的齿数N1和传动齿轮的齿数N2折算得到，具体的计算式如下：
P＝T0*γ*N1/N2。
变桨轴承齿设计时每个啮合齿的载荷受力是平均分配的，因此，每个评估对象的实时载荷Pi为P/n，n为啮合齿的数量，即评估对象的数量。
在本实施例中，优选的，如图2所示，所述根据实时载荷统计评估对象对应的不同载荷谱区间的受载时长包括：
步骤3-1、获取不同载荷谱区间对应的载荷范围；
步骤3-2、通过载荷范围确定评估对象的实时载荷所属的载荷谱区间，并记录评估对象处于该载荷谱区间的持续时长；
步骤3-3、统计变桨过程中不同载荷谱区间对应的持续时长，得到所述评估对象对应的不同载荷谱区间的受载时长。
具体而言，首先，如图5所示，可以对变桨轴承齿的载荷谱中的数据进行统计，得到不同载荷谱区间对应的载荷值范围和使用寿命。载荷谱的横坐标表示转速，纵坐标表示转矩，表格中的数据表示时间长度。
然后，将评估对象的实时载荷与不同载荷谱区间的载荷值范围进行匹配，可以确定评估对象当前所处的载荷谱区间。通过计时器可以对评估对象处于匹配的载荷谱区间的持续时间进行计时，直至评估对象的实时载荷对应的载荷值范围改变。每次评估对象匹配的载荷谱区间改变后，计时器都会重新进行计时，从而得到整个变桨过程中评估对象经历的不同载荷谱区间对应的持续时长。最后，通过统计不同载荷谱区间的对应的持续时长，可以得到评估对象处于不同载荷谱区间的受载时长。
在本实施例中，优选的，如图3所示，所述通过评估对象对应的统计结果和载荷谱时长评估变桨轴承齿的使用寿命，包括：
步骤4-1、获取评估对象的载荷谱时长，该载荷谱时长包括评估对象对应的不同载荷谱区间当前剩余的使用寿命；
步骤4-2、通过统计结果和载荷谱时长计算评估对象在不同载荷谱区间的剩余时长；
步骤4-3、根据评估对象在不同载荷谱区间的剩余时长评估变桨轴承齿的使用寿命。
具体而言，首先，可以通过记录的历史数据获取当前评估对象对应的不同载荷谱区间剩余的使用寿命。然后，将当前评估对象对应的不同载荷谱区间剩余的使用寿命，扣除统计得到的相应载荷谱区间的受载时长，可以得到评估对象对应的不同载荷谱区间的剩余时长。最后，可以通过每个评估对象对应的不同载荷谱区间的剩余时长评估变桨轴承齿的使用寿命，并记录每个评估对象对应的不同载荷谱区间剩余的使用寿命以下一次进行评估。
一种存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序运行时，执行上述的风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法。
如图4所示的风力发电机组控制方法的流程图，该控制方法包括：
采用上述的风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，评估变桨轴承齿的使用寿命：
判定使用寿命是否小于预设阈值；
响应于使用寿命小于阈值，禁止启动风力发电机组。
具体而言，首先，可以采用上述的评估方法评估变桨完成后每个评估对象剩余的使用寿命，评估方法的具体步骤和原理与上述评估方法相同，此处不再赘述。然后，判定每个评估对象的使用寿命是否小于预设阈值，如果小于，则表示变桨轴承齿有失效风险，此时需要禁止启动风力发电机组，并通过维护人员对变桨轴承齿进行更换维护。
在本实施例中，优选的，所述判定使用寿命是否小于预设阈值包括：
根据剩余时长计算评估对象在不同载荷谱区间的剩余百分比；
判定最小剩余百分比是否小于预设阈值；
响应于最小剩余百分比小于阈值，禁止启动风力发电机组。
为了方便判断变桨轴承齿的失效风险，本实施例选用使用寿命的剩余百分比作为参数进行判定。具体而言：
首先，可以根据相应的剩余时长和总体使用寿命，计算评估对象对应的不同载荷谱区间的载荷谱时长的剩余百分比，具体计算式如下：
λi＝(Ti-Ti′)/Ti*100％；
Ti′＝ti′-ti；
其中，Ti、Ti′分别为评估对象对应的第i载荷谱区间的总体使用寿命和剩余时长，ti′、ti分别为评估对象对应的第i载荷谱区间当前剩余的使用寿命和受载时长。
然后，判定评估对象对应的各个载荷谱区间的剩余百分比是否小于预设阈值，如果小于预设阈值，则表示变桨轴承齿有失效风险，此时需要禁止启动风力发电机组，并通过维护人员对变桨轴承齿进行更换维护。反之，则变桨轴承齿没有失效风险。
在本实施例中，优选的，所述预设阈值为10％。10％是根据经验设定的预设值，可以根据后续实际采集的数据进行修正。
一种存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序运行时，执行上述的风力发电机组控制方法。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (9)
1.一种风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，其特征在于，包括：
采集变桨系统的变桨角度，通过变桨角度确定啮合的齿牙；
实时监测变桨系统的转矩，根据转矩折算啮合的齿牙的实时载荷；
根据实时载荷统计变桨过程中啮合的齿牙对应的不同载荷谱区间的受载时长；
通过啮合的齿牙对应的统计结果和载荷谱时长评估变桨轴承齿的使用寿命，包括：
获取啮合的齿牙的载荷谱时长，该载荷谱时长包括啮合的齿牙对应的不同载荷谱区间当前剩余的使用寿命；
通过每个啮合的齿牙对应的不同载荷谱区间当前剩余的使用寿命，扣除统计得到的相应载荷谱区间的受载时长，得到每个啮合的齿牙对应的不同载荷谱区间的剩余时长；
根据每个啮合的齿牙在不同载荷谱区间的剩余时长评估变桨轴承齿的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，其特征在于，所述通过变桨角度确定啮合的齿牙包括：
确定所述变桨角度对应的啮合角度范围；
通过啮合角度范围对应的啮合的齿牙确定所述啮合的齿牙。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，其特征在于，所述根据转矩折算啮合的齿牙的实时载荷包括：
根据变桨系统实时的转矩和结构参数折算变桨轴承齿面的载荷；
通过变桨轴承齿面的载荷和啮合的齿牙的数量计算啮合的齿牙的实时载荷。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，其特征在于，所述根据实时载荷统计啮合的齿牙对应的不同载荷谱区间的受载时长包括：
获取不同载荷谱区间对应的载荷范围；
通过载荷范围确定啮合的齿牙的实时载荷所属的载荷谱区间，并记录啮合的齿牙处于该载荷谱区间的持续时长；
统计变桨过程中不同载荷谱区间对应的持续时长，得到所述啮合的齿牙对应的不同载荷谱区间的受载时长。
5.一种存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，该计算机程序运行时，执行如权利要求1-4任一所述的风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法。
6.一种风力发电机组控制方法，其特征在于，包括：
采用如权利要求1-4任一所述的风力发电机组变桨轴承齿寿命评估方法，评估变桨轴承齿的使用寿命：
判定使用寿命是否小于预设阈值；
响应于使用寿命小于阈值，禁止启动风力发电机组。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组控制方法，其特征在于，所述判定使用寿命是否小于预设阈值包括：
根据剩余时长计算啮合的齿牙在不同载荷谱区间的剩余百分比；
判定最小剩余百分比是否小于预设阈值；
响应于最小剩余百分比小于阈值，禁止启动风力发电机组。
8.根据权利要求7所述的风力发电机组控制方法，其特征在于，所述预设阈值为10％。
9.一种存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，该计算机程序运行时，执行如权利要求8所述的风力发电机组控制方法。
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