CN116428128B - 一种风力发电机主轴断裂监测预警方法及装置 - Google Patents

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CN116428128B CN202310416712.0A CN202310416712A CN116428128B CN 116428128 B CN116428128 B CN 116428128B CN 202310416712 A CN202310416712 A CN 202310416712A CN 116428128 B CN116428128 B CN 116428128B
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Abstract

本发明提供一种风力发电机主轴断裂监测预警方法及装置，方法包括：获取风力发电机的第一主轴跳动特征值和第二主轴跳动特征值，所述第一主轴跳动特征值是所述风力发电机当前时刻的主轴跳动特征值，所述第二主轴跳动特征值是所述风力发电机上一时刻的主轴跳动特征值；当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，判断所述风力发电机的主轴开裂。本发明提供的风力发电机主轴断裂监测预警方法及装置，通过实时监测风力发电机的主轴开裂信号，当达到预设预警值时进行停机保护，从而能够避免安全事故发生。

Description

一种风力发电机主轴断裂监测预警方法及装置
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，尤其涉及一种风力发电机主轴断裂监测预警方法及装置。
背景技术
随着风电机组服役时间的逐年增长，早期投产的风电机组因设计或生产缺陷等原因陆续出现机组主轴疲劳断裂事故。机组断轴通常会引起叶轮坠落，叶片扫塔或风机倒塔等安全事故，给业主带来巨大经济损失和安全风险，以及恶劣社会影响。
申请号为CN201380042252.4、名称为“用于识别和监控状态的方法和设备”的发明专利公开了一种状态识别和状态监控系统(100)，其用于至少短暂地，必要时周期性地，优选甚至永久地在值、信号或数据技术上检测和监控至少一个结构组件(K)或部件或者甚至该结构组件或部件的子元件、尤其是例如在风力机组中或上的至少一个轴承或转动连接件的状态参数；具有至少一个、优选多于两个安装或安设到结构组件(K)或部件上的接触传感器(3)，该接触传感器优选可以直接或间接地安装或安设在安设位置(A)上、尤其是该结构组件(K)的平坦或倒圆的表面(1)或轮廓处或上，例如可以借助螺纹连接/插接/熔焊/钎焊/粘接或夹紧安装或安设在风力机组中的轴承环附近，优选大滚动轴承的凸鼻环或承载环或保持环附近，替选地该接触传感器可以直接安装或安设在风力机组的叶片轴承、主轴承或塔轴承的至少一个内表面或外表面处或上。然而该发明专利中未给出具体如何监测风力发电机主轴断裂的方法。
因此，需要提供一种风力发电机主轴断裂监测预警方法及装置，用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种风力发电机主轴断裂监测预警方法及装置，通过实时监测主轴开裂信号，当达到预设预警值时进行停机保护，从而能够避免安全事故发生。
本发明实施例提供的一种风力发电机主轴断裂监测预警方法，包括：
获取风力发电机的第一主轴跳动特征值和第二主轴跳动特征值，所述第一主轴跳动特征值是所述风力发电机当前时刻的主轴跳动特征值，所述第二主轴跳动特征值是所述风力发电机上一时刻的主轴跳动特征值；
当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，判断所述风力发电机的主轴开裂。
可选地，所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值具体通过以下公式进行计算：
(Ri-Ri-1)/Ri-1>Rc
其中，Ri表示所述第一主轴跳动特征值，Ri-1表示所述第二主轴跳动特征值，Rc表示所述第一阈值。
可选地，根据所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值得到第一主轴开裂速率；
根据所述第二主轴跳动特征值和第三主轴跳动特征值得到第二主轴开裂速率，所述第三主轴跳动特征值是所述风力发电机下一时刻的主轴跳动特征值；
当所述主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值时，判断所述风力发电机的主轴开始加速开裂。
可选地，根据所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值得到第一主轴开裂速率具体通过以下公式进行计算：
Ki＝(Ri-Ri-1)/(ti-ti-1)
根据所述第二主轴跳动特征值和第三主轴跳动特征值得到第二主轴开裂速率具体通过以下公式进行计算：
Ki+1＝(Ri+1-Ri)/(ti+1-ti)
所述主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值具体通过以下公式进行计算：
(Ki+1-Ki)/Ki>Kc
其中，Ri表示所述第一主轴跳动特征值，Ri-1表示所述第二主轴跳动特征值，Ri+1表示所述第三主轴跳动特征值，ti表示当前时刻，ti-1表示上一时刻，ti+1表示下一时刻，Ki表示第一主轴开裂速率，Ki+1表示第二主轴开裂速率，Kc表示所述第二阈值。
可选地，根据所述主轴开裂速率增量百分比，将所述风力发电机主轴断裂的过程分为三个阶段，所述三个阶段包括未开裂阶段、缓慢开裂阶段和加速开裂阶段。
可选地，所述风力发电机包括塔筒、机舱床板、前轴承座、后轴承座、主轴、叶轮和齿轮箱，所述塔筒固定在地面，所述机舱床板固定在所述塔筒的顶部，所述前轴承座和所述后轴承座固定在所述机舱床板上，所述主轴固定在所述前轴承座和所述后轴承座上，所述叶轮固定在所述主轴的前方，所述齿轮箱固定在所述主轴的后方。
可选地，通过传感器测量所述风力发电机的主轴跳动特征值，通过采集器采集和存储所述风力发电机的主轴跳动特征值，通过控制器进行所述风力发电机的主轴跳动特征值的数据处理、判断和预警控制。
可选地，当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过所述第一阈值时，进行报警提醒。
可选地，当所述主轴开裂速率增量百分比超过所述第二阈值时，进行停机保护。
本发明实施例还提供一种风力发电机主轴断裂监测预警装置，包括：
第一主轴跳动特征值获取单元，其用于获取风力发电机的第一主轴跳动特征值，所述第一主轴跳动特征值是所述风力发电机当前时刻的主轴跳动特征值；
第二主轴跳动特征值获取单元，其用于获取风力发电机的第二主轴跳动特征值，所述第二主轴跳动特征值是所述风力发电机上一时刻的主轴跳动特征值；
主轴开裂判断单元，其用于当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，判断所述风力发电机的主轴开裂。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案至少具有以下有益效果：
本发明提供的一种风力发电机主轴断裂监测预警方法及装置，获取风力发电机的第一主轴跳动特征值和第二主轴跳动特征值，所述第一主轴跳动特征值是所述风力发电机当前时刻的主轴跳动特征值，所述第二主轴跳动特征值是所述风力发电机上一时刻的主轴跳动特征值；当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，判断所述风力发电机的主轴开裂，通过实时监测风力发电机的主轴开裂信号，当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时可以及时进行报警提醒；
进一步地，根据所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值得到第一主轴开裂速率；根据所述第二主轴跳动特征值和第三主轴跳动特征值得到第二主轴开裂速率，所述第三主轴跳动特征值是所述风力发电机下一时刻的主轴跳动特征值；当所述主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值时，判断所述风力发电机的主轴开始加速开裂，从而可以进行停机保护，从而能够避免安全事故发生。
附图说明
图1是本发明实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警方法的流程示意图；
图2是本发明另一实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警方法的流程示意图；
图3是本发明实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警装置的模块示意图；
图4是本发明实施例中的风力发电机的结构示意图；
图5是本发明实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警方法中的子系统模块示意图；
图6是本发明实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警方法中主轴未开裂时的主轴跳动特征值的时序数值示意图；
图7是本发明实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警方法中主轴单侧开裂时的结构示意图；
图8是本发明实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警方法中主轴单侧开裂时的主轴跳动特征值的时序数值示意图；
图9是本发明实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警方法中主轴均匀环状开裂时的主轴跳动特征值的时序数值示意图；
图10是本发明实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警方法中主轴跳动特征值的示意图；
图11是本发明另一实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警方法中主轴跳动特征值的示意图；
图12是本发明又一实施例中一种风力发电机主轴断裂监测预警方法中主轴跳动特征值的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。可以理解的是，以下所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，而非是对本发明的限定。并且，图中可能使用相同、类似的标号指代不同实施例中相同、类似的元件，也可能省略不同实施例中相同、类似的元件的描述以及现有技术元件、特征、效果等的描述。
本发明的目的在于，提供一种风力发电机主轴断裂监测预警方法及装置，通过实时监测主轴开裂信号，当达到预设预警值时进行停机保护，从而能够避免安全事故发生。
现在参看图1，本发明实施例提供的一种风力发电机主轴断裂监测预警方法，包括：
步骤S101：获取风力发电机的第一主轴跳动特征值和第二主轴跳动特征值，所述第一主轴跳动特征值是所述风力发电机当前时刻的主轴跳动特征值，所述第二主轴跳动特征值是所述风力发电机上一时刻的主轴跳动特征值；
步骤S102：当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，判断所述风力发电机的主轴开裂。
在具体实施中，所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值具体通过以下公式进行计算：
(Ri-Ri-1)/Ri-1>Rc
其中，Ri表示所述第一主轴跳动特征值，Ri-1表示所述第二主轴跳动特征值，Rc表示所述第一阈值。
具体地，第一阈值Rc可以进行预设，例如第一阈值Rc可以设置为10％，本领域技术人员可以根据需要进行第一阈值的设置，在此不再赘述。
如图6所示，当主轴未断裂时，传感器21检测到的主轴跳动特征值是基本稳定的时序数值。如图7和图8所示，主轴产生了单侧开裂，传感器21检测到的主轴跳动特征值是类似正弦曲线的时序数值。如图9所示，主轴产生了均匀环状开裂，传感器21检测到的主轴跳动特征值是基本稳定的时序数值。也就是说，当主轴产生单侧开裂时或明显不完全轴对称开裂时，可以通过正弦波形来识别判断，例如当正弦曲线波峰波谷范围大于预设值时，例如超过未断裂时主轴跳动特征值均方根的30％，即判断为主轴开裂。当主轴产生均匀环状开裂时，无法通过正弦波形来进行识别判断，需要通过主轴跳动特征值的变换趋势来进行识别判断。
虽然当主轴产生均匀环状开裂时，主轴跳动特征值仍为基本稳定的时序数值，但是由于主轴产生环装开裂，相当于该处主轴直径减小，承载能力降低，因此该处的主轴跳动特征值将增大。通过持续监控主轴跳动特征值，当发现当前时刻的主轴跳动特征值，即第一主轴跳动特征值，大于上一时刻测量的主轴跳动特征值，即第二主轴跳动特征值，且增量百分比超过第一阈值时，就可以判断主轴开裂。
现在参看图2，本发明实施例提供的一种风力发电机主轴断裂监测预警方法，包括：
步骤S201：获取风力发电机的第一主轴跳动特征值和第二主轴跳动特征值，所述第一主轴跳动特征值是所述风力发电机当前时刻的主轴跳动特征值，所述第二主轴跳动特征值是所述风力发电机上一时刻的主轴跳动特征值；
步骤S202：当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，判断所述风力发电机的主轴开裂；
步骤S203：根据所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值得到第一主轴开裂速率；
步骤S204：根据所述第二主轴跳动特征值和第三主轴跳动特征值得到第二主轴开裂速率，所述第三主轴跳动特征值是所述风力发电机下一时刻的主轴跳动特征值；
步骤S205：当所述主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值时，判断所述风力发电机的主轴开始加速开裂。
在具体实施中，根据所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值得到第一主轴开裂速率具体通过以下公式进行计算：
Ki＝(Ri-Ri-1)/(ti-ti-1)
根据所述第二主轴跳动特征值和第三主轴跳动特征值得到第二主轴开裂速率具体通过以下公式进行计算：
Ki+1＝(Ri+1-Ri)/(ti+1-ti)
所述主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值具体通过以下公式进行计算：
(Ki+1-Ki)/Ki>Kc
其中，Ri表示所述第一主轴跳动特征值，Ri-1表示所述第二主轴跳动特征值，Ri+1表示所述第三主轴跳动特征值，ti表示当前时刻，ti-1表示上一时刻，ti+1表示下一时刻，Ki表示第一主轴开裂速率，Ki+1表示第二主轴开裂速率，Kc表示所述第二阈值。
具体地，第二阈值Kc可以进行预设，例如第二阈值Kc可以设置为10％，本领域技术人员可以根据需要进行第二阈值的设置，在此不再赘述。
通过持续监控主轴跳动特征值，根据第一主轴跳动特征值，即当前时刻的主轴跳动特征值，和第二主轴跳动特征值，即上一时刻测量的主轴跳动特征值，以得到第一主轴开裂速率，根据第二主轴跳动特征值，即上一时刻测量的主轴跳动特征值，和第三主轴跳动特征值，即下一时刻的主轴跳动特征值，以得到第二主轴开裂速率，当发现主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值时，就可以判断主轴开始加速开裂。
现在参看图4至图12，在具体实施中，所述风力发电机包括塔筒17、机舱床板16、前轴承座12、后轴承座14、主轴13、叶轮11和齿轮箱15，所述塔筒17固定在地面，所述机舱床板16固定在所述塔筒17的顶部，所述前轴承座12和所述后轴承座14固定在所述机舱床板16上，所述主轴13固定在所述前轴承座12和所述后轴承座14上，所述叶轮11固定在所述主轴13的前方，所述齿轮箱15固定在所述主轴13的后方。
在具体实施中，通过传感器21测量所述风力发电机的主轴跳动特征值，通过采集器22采集和存储所述风力发电机的主轴跳动特征值，通过控制器23进行所述风力发电机的主轴跳动特征值的数据处理、判断和预警控制。
传感器21固定在机舱床板16或齿轮箱15上，传感器21用于测量风力发电机的主轴跳动特征值，即主轴表面在该位置处的径向跳动特征值。
在具体实施中，当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过所述第一阈值时，进行报警提醒，具体通过风机控制系统24来实现。
在具体实施中，当所述主轴开裂速率增量百分比超过所述第二阈值时，进行停机保护，具体通过风机控制系统24来实现。
现在参看图12，在具体实施中，根据所述主轴开裂速率增量百分比，将所述风力发电机主轴断裂的过程分为三个阶段，所述三个阶段包括未开裂阶段、缓慢开裂阶段和加速开裂阶段。
在具体实施中，主轴开裂存在多侧开裂的情况，呈现近似环装开裂，但不是均匀开裂的深度，可以通过持续监控主轴跳动特征值来实时监测主轴断裂的情况。当风力发电机的主轴未开裂时，主轴跳动特征值为基本稳定的时序数值，即风力发电机的主轴处于未开裂阶段；当风力发电机的主轴开始断裂时，第一主轴跳动特征值和第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，即风力发电机的主轴处于缓慢开裂阶段；当风力发电机的主轴加速开裂时，主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值时，即风力发电机的主轴处于加速开裂阶段。
现在参看图3，本发明实施例还提供一种风力发电机主轴断裂监测预警装置，包括：
第一主轴跳动特征值获取单元31，其用于获取风力发电机的第一主轴跳动特征值，所述第一主轴跳动特征值是所述风力发电机当前时刻的主轴跳动特征值；
第二主轴跳动特征值获取单元32，其用于获取风力发电机的第二主轴跳动特征值，所述第二主轴跳动特征值是所述风力发电机上一时刻的主轴跳动特征值；
主轴开裂判断单元33，其用于当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，判断所述风力发电机的主轴开裂。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案至少具有以下有益效果：
在本发明实施例中，提供的一种风力发电机主轴断裂监测预警方法及装置，获取风力发电机的第一主轴跳动特征值和第二主轴跳动特征值，所述第一主轴跳动特征值是所述风力发电机当前时刻的主轴跳动特征值，所述第二主轴跳动特征值是所述风力发电机上一时刻的主轴跳动特征值；当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，判断所述风力发电机的主轴开裂，通过实时监测风力发电机的主轴开裂信号，当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时可以及时进行报警提醒；
进一步地，根据所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值得到第一主轴开裂速率；根据所述第二主轴跳动特征值和第三主轴跳动特征值得到第二主轴开裂速率，所述第三主轴跳动特征值是所述风力发电机下一时刻的主轴跳动特征值；当所述主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值时，判断所述风力发电机的主轴开始加速开裂，从而可以进行停机保护，从而能够避免安全事故发生。
尽管上文已经描述了具体实施方案，但这些实施方案并非要限制本发明公开的范围，即使仅相对于特定特征描述单个实施方案的情况下也是如此。本发明公开中提供的特征示例意在进行例示，而非限制，除非做出不同表述。在具体实施中，可根据实际需求，在技术上可行的情况下，将一项或者多项从属权利要求的技术特征与独立权利要求的技术特征进行组合，并可通过任何适当的方式而不是仅通过权利要求书中所列举的特定组合来组合来自相应独立权利要求的技术特征。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种风力发电机主轴断裂监测预警方法，其特征在于，包括：
获取风力发电机的第一主轴跳动特征值和第二主轴跳动特征值，所述第一主轴跳动特征值是所述风力发电机当前时刻的主轴跳动特征值，所述第二主轴跳动特征值是所述风力发电机上一时刻的主轴跳动特征值；
当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，判断所述风力发电机的主轴开裂；
根据所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值得到第一主轴开裂速率；
根据所述第二主轴跳动特征值和第三主轴跳动特征值得到第二主轴开裂速率，所述第三主轴跳动特征值是所述风力发电机下一时刻的主轴跳动特征值；
当所述主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值时，判断所述风力发电机的主轴开始加速开裂；
根据所述主轴开裂速率增量百分比，将所述风力发电机主轴断裂的过程分为三个阶段，所述三个阶段包括未开裂阶段、缓慢开裂阶段和加速开裂阶段。
2.根据权利要求1所述的风力发电机主轴断裂监测预警方法，其特征在于，所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值具体通过以下公式进行计算：
，
其中，表示所述第一主轴跳动特征值，/>表示所述第二主轴跳动特征值，表示所述第一阈值。
3.根据权利要求1所述的风力发电机主轴断裂监测预警方法，其特征在于，
根据所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值得到第一主轴开裂速率具体通过以下公式进行计算：
，
根据所述第二主轴跳动特征值和第三主轴跳动特征值得到第二主轴开裂速率具体通过以下公式进行计算：
，
所述主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值具体通过以下公式进行计算：
，
其中，表示所述第一主轴跳动特征值，/>表示所述第二主轴跳动特征值，表示所述第三主轴跳动特征值，/>表示当前时刻，/>表示上一时刻，/>表示下一时刻，/>表示第一主轴开裂速率，/>表示第二主轴开裂速率，/>表示所述第二阈值。
4.根据权利要求1所述的风力发电机主轴断裂监测预警方法，其特征在于，所述风力发电机包括塔筒、机舱床板、前轴承座、后轴承座、主轴、叶轮和齿轮箱，所述塔筒固定在地面，所述机舱床板固定在所述塔筒的顶部，所述前轴承座和所述后轴承座固定在所述机舱床板上，所述主轴固定在所述前轴承座和所述后轴承座上，所述叶轮固定在所述主轴的前方，所述齿轮箱固定在所述主轴的后方。
5.根据权利要求4所述的风力发电机主轴断裂监测预警方法，其特征在于，通过传感器测量所述风力发电机的主轴跳动特征值，通过采集器采集和存储所述风力发电机的主轴跳动特征值，通过控制器进行所述风力发电机的主轴跳动特征值的数据处理、判断和预警控制。
6.根据权利要求1所述的风力发电机主轴断裂监测预警方法，其特征在于，当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过所述第一阈值时，进行报警提醒。
7.根据权利要求1所述的风力发电机主轴断裂监测预警方法，其特征在于，当所述主轴开裂速率增量百分比超过所述第二阈值时，进行停机保护。
8.一种风力发电机主轴断裂监测预警装置，其特征在于，包括：
第一主轴跳动特征值获取单元，其用于获取风力发电机的第一主轴跳动特征值，所述第一主轴跳动特征值是所述风力发电机当前时刻的主轴跳动特征值；
第二主轴跳动特征值获取单元，其用于获取风力发电机的第二主轴跳动特征值，所述第二主轴跳动特征值是所述风力发电机上一时刻的主轴跳动特征值；
主轴开裂判断单元，其用于当所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值的增量百分比超过第一阈值时，判断所述风力发电机的主轴开裂；
根据所述第一主轴跳动特征值和所述第二主轴跳动特征值得到第一主轴开裂速率；
根据所述第二主轴跳动特征值和第三主轴跳动特征值得到第二主轴开裂速率，所述第三主轴跳动特征值是所述风力发电机下一时刻的主轴跳动特征值；
当所述主轴开裂速率增量百分比超过第二阈值时，判断所述风力发电机的主轴开始加速开裂；
根据所述主轴开裂速率增量百分比，将所述风力发电机主轴断裂的过程分为三个阶段，所述三个阶段包括未开裂阶段、缓慢开裂阶段和加速开裂阶段。
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