CN219911039U - 一种风电机组变桨轴承在线监测装置 - Google Patents

Abstract

一种风电机组变桨轴承在线监测装置，包括有分别设在叶片根部内表面上的双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C；双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C与轮毂采集器连接；轮毂采集器与无线路由器相连；无线路由器与数据服务器相连；连接监测装置；轮毂采集器提取变桨轴承振动数据和机组关键工况数据，轮毂传感器通过无线传输方式将变桨轴承振动数据和机组关键工况数据传送给机舱内的工业路由器；工业路由器将采集的数据发送到数据服务器；数据服务器分析数据，根据分析进行诊断分析；具有装置结构简单、安装方便、可实现在线监测的特点。

Description

一种风电机组变桨轴承在线监测装置

技术领域

本实用新型属于风电机组状态监测技术领域，具体涉及一种风电机组变桨轴承在线监测装置。

背景技术

我国风电产业目前处在高速发展阶段，其对优化能源结构、促进节能减排的作用日益凸显。风能丰富的地区通常也是气候条件非常恶劣的地区，风机整体所受交变载荷非常复杂。

叶片变桨轴承作为连接叶片和风机轮毂的纽带，其受力复杂性不亚于叶片本身，若风机叶片整体不平衡，最先受到考验的就是变桨轴承，若变桨轴承内圈或外圈出现较大裂纹，则风机叶片有可能直接掉落。因此，变桨轴承损伤也是不容忽视的。另一方面，风力发电机叶根螺栓作为连接变桨轴承法兰与轮毂法兰、变桨轴承法兰与叶片法兰的关键紧固件，承受着不规律的振动、交变载荷、冲击载荷等复杂多变的负荷，容易产生松动或断裂问题。局部螺栓松动或断裂会导致周围螺栓快速疲劳，叶根螺栓断裂更可能引起变桨齿轮卡死无法收桨的问题，产生安全隐患。

使用超声波方案实现变桨轴承法兰螺栓状态监测，但其缺点是：超声波方案成本高；部署工艺复杂（工艺稍不到位会导致数据不可用）；可靠性差，超声波晶片容易失效。使用转角方案实现变桨轴承法兰螺栓状态监测，其缺点是：转角方案对于螺母不转、直接剪短的螺栓失效模式无效。

专利名称为（CN201811007469.2）一种风力机变桨轴承故障检测方法的文献，公开了一种变桨轴承离线检测装置及方法，其测量方法是风机停机、叶轮锁定，部署加速度传感器，然后在待测变桨轴承布置传感器和采集器，接着人为进行变桨操作，采集数据进行分析，实现变桨轴承振动数据采集，实现变桨轴承本体故障诊断，其缺点是：变桨状态是人为制造的，通过手动变桨实现有效数据采集；无法实现在线监测，诊断实时性无法保证；仅能实现变桨轴承本体故障诊断，无法实现叶根螺栓松动诊断；仅在变桨轴承径向部署单轴传感器，仅监测变桨轴承轴向振动信号。

专利名称为（CN201711008220.9）基于多元传感器信息的风力发电机叶片健康状态监测系统的专利文献，用于监测叶片结构损伤、表面损伤、桨距角偏差以及覆冰，即监测对象是叶片；涉及的加速度传感器安装于叶片内部距离叶根距离为三分之一叶片长度的腔体表面，涉及的应变传感器安装于叶根。

目前针对风电机组变桨轴承（轴承本身和法兰螺栓）的监测系统尚未出现，特别是在线监测方式。有部分系统可以实现离线的变桨轴承监测，另有产品可以实现叶根螺栓的在线监测，而这种在线监测一般仅能实现变桨轴承内圈螺栓监测，且安装方法非常复杂，系统可靠性也比较差。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种风电机组变桨轴承在线监测装置及检测方法，具有装置结构简单、安装方便、可实现在线监测的特点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种风电机组变桨轴承在线监测装置，包括有分别设在叶片根部内表面上的双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C；双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C通过屏蔽信号线缆与轮毂采集器连接；轮毂采集器与机舱内的无线路由器相连；无线路由器与主控室的数据服务器相连。

所述的双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C分别设在叶片根部内表面上；双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C分别距离变桨轴承内圈距离为10-15厘米。

所述的无线路由器采用工业路由器。

所述的无线路由器通过风机环网交换机与主控室的数据服务器相连。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型仅通过在每支叶片根部安装一个双轴加速度传感器，便可以依据振动传递特性（即使装在变桨轴承内圈，外圈螺栓的异常振动也会通过结构传递到内部）实现对包括变桨轴承与叶片连接螺栓、变桨轴承与轮毂连接螺栓的松动诊断。

本实用新型通过拾取变桨轴承轴向振动数据，提取能量及其他有效特征值，实现变桨轴承与叶片连接螺栓、变桨轴承与轮毂连接螺栓的紧固状态诊断，当螺栓松动时，可实现及时预警。

通过拾取变桨轴承径向振动数据及机组关键工况数据，实现变桨过程数据的筛选，对便将过程数据进行有效值及其他特征提取，实现变桨轴承内圈、保持架、滚动体及外圈的损伤诊断。当变桨轴承本体出现异常时，能够及时预警。

数据服务器监控软件可根据变桨螺栓及变桨轴承本体的故障成都给出相应的预警及警告。

本实用新型基于振动原理，安装部署简单、使用寿命长、成本可控，可实现在线监测，检测方便，相比其他监测手段性价比突出。

系统可靠。加速度监测方案经风电机组状态监测领域广泛实验应用，从传感器到模拟数据采集单元，其可靠性显而易见。

可实现在线监测。加速度数据可以实时传输至风场服务器，若有需要，所有历史数据均可以全量保存。

部署简单。每支叶片根部只需要安装一支双轴加速度传感器，采用胶粘方式，不会对叶片带来任何危害。整个部署流程无需标定、无需置零操作。

以点测体，功能全面。仅通过每支叶片根部安装一个双轴加速度传感器，便可以依据振动传递特性（即使装在变桨轴承内圈，外圈螺栓的异常振动也会通过结构传递到内部）实现对包括变桨轴承与叶片连接螺栓、变桨轴承与轮毂连接螺栓的松动诊断。

成本可控，推广价值大。每支叶片仅安装一支双周加速度传感器，且安装简单、可靠性高，无需特殊维护。所以整体成本比较低。

附图说明

图1为本实用新型风力发电机变桨轴承健康状态监测装置原理框图。

图2为本实用新型双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C安装位置示意图。

图3为本实用新型变桨轴承的双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C具体安装位置与方向示意图。

图4为本实用新型有效数据选取流程图。

图5为用于螺栓松动诊断的变桨轴承轴向振动信号时域波形图。

图6为用于变桨轴承本体故障诊断的变桨过程径向振动信号时域波形图。

图7为三个变桨轴承轴向加速度有效值趋势图。

图8为变桨过程中某变桨轴承径向信号时域波形图。

图9为本实用新型变桨轴承螺栓监测方法的流程图。

图10为本实用新型变桨轴承本体监测方法的流程图。

图中：1-双轴加速度传感器A，2-双轴加速度传感器B，3-双轴加速度传感器C，4-数据采集单元，5-叶片内表面，6-叶片前缘，7-叶片后缘，8-叶片，9-变桨轴承外圈，10-球形轮毂罩，11-圆柱形轮毂壁，12-变桨轴承内圈，13-内圈上齿轮。

实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。

一种风电机组变桨轴承在线监测装置，包括有分别设在叶片根部内表面上的双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C；双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C通过屏蔽信号线缆与轮毂采集器连接；轮毂采集器与机舱内的无线路由器相连；无线路由器与主控室的数据服务器相连。

所述的双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C分别设在叶片根部内表面上（三组叶片前缘合模表面）；双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C分别距离变桨轴承内圈距离为10-15厘米。位置选取方法为：安装人员站在机舱面向轮毂，将待安装叶片锁定至三点水平方向。进入轮毂，安装人员面向锁定叶片，双轴加速度传感器安装于左手叶片根部水平位置，即前缘合模表面。双轴加速度传感器距离变桨轴承内圈距离为10-15厘米。双轴加速度传感器第一轴指向或背向叶尖，第二轴指向或背向安装面。传感器出线方向朝上或朝下均可。

所述的无线路由器采用工业路由器。

所述的无线路由器通过风机环网交换机与主控室的数据服务器相连。

本实用新型的工作原理是：

由于轮毂采集器与风机PLC和SCADA服务器在一个局域网内，所以轮毂采集器在采集变桨轴承的振动数据的同时也同步采集风电机组关键工况数据。轮毂采集器通过无线传输方式或有线传输方式将振动数据与机组关键工况数据传送给机舱内的工业路由器；工业路由器通过风场环网与主控室的数据服务器相连，工业路由器通过风场环网将采集的数据发送到主控室的数据服务器；数据服务器与正向隔离器连接，正向隔离器与外网数据服务器连接，数据服务器可以通过推送软件模块将内网监测模块完备的通过正向隔离器推送至外网数据服务器，供远程诊断人员查看。

参见图1，图1是风力发电机变桨轴承健康状态监测系统，包括有分别设在叶片根部内表面上的双轴加速度传感器A1、双轴加速度传感器B2、双轴加速度传感器C3，双轴加速度传感器采集变桨轴承的振动数据；双轴加速度传感器通过屏蔽信号线缆与轮毂采集器连接；轮毂采集器通过PLC或SCADA系统同步提取风电机组关键工况数据；轮毂采集器与机舱内的无线路由器相连，轮毂传感器通过无线传输方式将变桨轴承振动数据与机组关键工况数据传送给机舱内的工业路由器；工业路由器通过风场环网与主控室的数据服务器相连，工业路由器通过风场环网将采集的振动数据及工况数据发送到主控室的数据服务器；数据服务器与正向隔离器连接，正向隔离器与外网数据服务器连接，数据服务器可以通过推送软件将内网监测数据通过正向隔离器完备的推送至外网数据服务器，供远程诊断人员查看。

图2中黑色方块处分别为双轴加速度传感器A1、双轴加速度传感器B2、双轴加速度传感器C3安装位置，即叶片根部前缘位置。图2中，数据采集单元4，其以墙壁挂件方式安装于轮毂内部预留孔位。数据采集单元4拥有三个及以上M12航空连接器，双轴加速度传感器的电气接口也是M12航空连接器，可通过成品线缆对插连接，方便可靠。由于变桨机构的存在，线缆不能直接从叶片内部走向轮毂，而是要现在轮毂和叶片之间利用弹簧等搭建一个可以伸缩的走线桥架，然后将线缆以S型固定在弹簧上。数据采集单元可同步采集三支双轴加速度传感器（即双轴加速度传感器A1、双轴加速度传感器B2、双轴加速度传感器C3）共计六路振动信号。

图3中以内圈驱动的（变桨轴承内齿圈）变桨结构类型为例表达了传感器具体的安装位置。即双轴加速度传感器1安装于叶片前缘6合模处、叶片内表面5，双轴加速度传感器A1位置偏离变桨轴承内圈12叶片端面10-15cm。为保证安装位置准确、一致，可采用如下定位方法：安装者站在机舱面向轮毂，将待安装叶片锁定至三点水平方向。进入轮毂，安装者面向锁定叶片8，双轴加速度传感器安装于安装者左手叶片根部水平位置，即叶片前缘6的合模表面。双轴加速度传感器的第一轴指向变桨轴承轴向（叶尖或背向叶尖），第二轴指向变桨轴承径向（指向或背向传感器平面）。双轴加速度传感器采用聚氨酯胶粘接，粘接前先用螺栓固定一块专用底座于传感器底部，如此粘接时胶不会覆盖传感器，方便后期维护。

圆柱形轮毂壁11上端设有变桨轴承，通过变桨轴承与叶片8相连；叶片8包括叶片前缘6和叶片后缘7；变桨轴承包括变桨轴承外圈9和变桨轴承内圈12；内圈12内侧为内齿圈13；球形轮毂罩覆盖在圆柱形轮毂壁11外侧。

轮毂采集单元可以同步采集加速度数据及机组关键工况数据，加速度数据及机组关键工况数据传输至数据服务器后，可进行有效数据筛选工作。在本例中，加速度数据采样率为1280Hz，时长120秒。工况信号采样率为1Hz，时长120秒。如图4所示，根据机组关键工况数据首先判断风机是否处于运行状态，当工况数据中功率数据＞10千瓦，则为运行；≤0千瓦，则为停机；若为停机数据，则本组数据不做特别处理，属于无效数据；若是运行数据，则进行变桨判断；对采集的120秒工况数据中桨距角数据进行处理，求出该组数据中最大值与最小值偏差，若桨距角最大最小值偏差＜5度，则处于非变桨状态；若桨距角最大最小值偏差＞30度，则处于变桨状态；若处于非变桨状态，则选取轴向振动数据进行螺栓松动诊断分析，如图5所示波形；若处于变桨状态，则选取径向振动数据进行变桨轴承本体故障诊断分析，如图6所示波形。

图7是提取三支变桨轴承各组非变桨运行轴向加速度数据有效值绘制的趋势图，变桨轴承一、变桨轴承二、变桨轴承三分别由双轴加速度传感器A1、双轴加速度传感器B2、双轴加速度传感器C3监测，从图中可以看出，变桨轴承三轴向加速度数据有效值明显偏高，判断该变桨轴承螺栓出现了松动或断裂问题。

图8某异常变桨轴承变桨过程中振动信号滤波后的时域波形，从图中可以看出当变桨轴承本体出现异常时，信号会出现异常冲击，求取其峭度值，发现远大于3，故峭度值可以很好的诊断出变桨轴承本体故障。

本实用新型的目的是提供基于振动信息和工况信息的风力发电机变桨轴承状态监测系统，目的是24小时不间断的监测风力发电机变桨轴承本体及法兰螺栓状态情况，实时高效地评估变桨轴承的健康状态。

所述的变桨轴承类型包含两种，一种是内圈连接叶片，外圈连接轮毂；一种是外圈连接叶片，内圈连接轮毂。其变桨方式包含齿圈啮合变桨以及皮带变桨。

所述法兰螺栓包括变桨轴承与叶片连接螺栓，也包括变桨轴承与轮毂连接螺栓。

由于本实用新型的双轴加速度传感器粘贴于叶片根部内表面，且粘接前在传感器底部安装一块转接底座，所以胶粘剂不会覆盖传感器，方便后期维护。粘接剂类型为聚氨酯结构胶，其具体位置设定标准为：安装者站在机舱面向轮毂，将待安装叶片锁定至三点水平方向。进入轮毂，安装者面向锁定叶片，将双轴加速度传感器安装于左手叶片根部水平位置，即前缘合模表面。双轴加速度传感器距离变桨轴承内圈距离为10-15厘米。双轴加速度传感器第一轴指向或背向叶尖，第二轴指向或背向安装面。传感器出线方向朝上或朝下均可。

所述的轮毂采集器至少有6个IEPE信号通道，其中每两个IEPE信号通道集成于一个航空连接器上，方便三支叶片快插接线。所述轮毂采集器具备有线网络通讯或无线网络通讯功能，可适应有线或无线通讯场景。

所述的机组关键工况数据可以来自风机PLC，也可以来自于主控室SCADA系统。机组关键工况数据至少包含：风速、有功功率、环境温度、变桨轴承一变桨角度、变桨轴承二变桨角度、变桨轴承三变桨角度。所述的同步采集是指同时间启动工况与加速度信号采集。

所述机舱工业无线路由器带有无线WIFI通讯功能，可收发稳定的无线WIFI信号。

所述的工业路由器通过网线直接接入风场环网。

参见图9-10，一种风电机组变桨轴承在线监测方法，包括以下步骤：

步骤一，在双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C分别粘贴与三组叶片根部内表面，粘接前先用螺栓在传感器底部固定一块专用底座；将双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C通过屏蔽信号线缆与轮毂采集器连接；再将轮毂采集器与机舱内的无线路由器相连，将无线路由器通过风机环网交换机与主控室的数据服务器相连；数据服务器与正向隔离器连接；正向隔离器与外网数据服务器连接。

步骤二，轮毂采集器通过双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C采集变桨轴承的振动数据，通过PLC或者SCADA服务器同步采集风电机组的关键工况参数，轮毂传感器通过无线传输方式将变桨轴承振动数据和机组关键工况数据传送给机舱内的工业路由器；工业路由器通过风场环网将采集的振动数据及机组关键工况数据发送到主控室的数据服务器；

步骤三，数据服务器对通过风场环网获取振动数据及机组关键工况数据进行分析，若风电机组处于变桨运行状态，则进行变桨轴承本体状态诊断分析；若处于非变桨运行状态，则进行变桨轴承螺栓松动诊断分析。

所述的变桨运行状态，其判断的方法是：按照1Hz频率采集长度达到T秒的机组关键工况数据，然后统计其中的桨距角数据最大值和最小值偏差，当桨距角最大最小值偏差达到30度时，则判定为变桨运行状态；设置为30度既可以准确判断出绝大部分变桨状态，同时又能避免将风电机组正常运行中的小幅变桨排除在外。

所述的非变桨运行状态，其判断的方法是：按照1Hz频率采集长度达到T秒的机组关键工况数据，然后统计其中的桨距角数据最大值和最小值偏差，当桨距角最大最小值偏差小于5度，且此时有功功率大于10千瓦时，则判断为非变桨运行状态。

所述的变桨轴承螺栓松动诊断分析，其方法是：利用非变桨运行状态下的双轴加速度传感器轴向振动数据，对该组数据进行截止频率为1Hz的高通滤波，然后求取滤波后数据的有效值，对三支叶片变桨轴承轴向数据的有效值进行横向对比或与历史数据进行纵向对比，当发现某支变桨轴承有效值取值明显高于其他两支变桨轴承，或者相比历史数据有明显上升时，可及时发现螺栓松动问题。

所述的变桨轴承本体状态诊断分析，其方法是：对变桨状态下的传感器径向数据进行截取，根据同步采集的工况数据仅截取变桨过程数据；然后对该组数据进行截止频率为1Hz的高通滤波，最后求取滤波后数据的峭度值；正常情况下，变桨轴承的峭度值在3以下，当其峭度值超过3，判断为变桨轴承损伤。

Claims (5)

1.一种风电机组变桨轴承在线监测装置，其特征在于，包括有分别设在三组叶片根部内表面上的双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C；双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C通过屏蔽信号线缆与轮毂采集器连接；轮毂采集器与机舱内的无线路由器相连；无线路由器与主控室的数据服务器相连。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组变桨轴承在线监测装置，其特征在于，所述的双轴加速度传感器A、双轴加速度传感器B、双轴加速度传感器C分别距离变桨轴承内圈距离为10-15厘米。

3.根据权利要求1所述的一种风电机组变桨轴承在线监测装置，其特征在于，所述的无线路由器采用工业路由器。

4.根据权利要求1所述的一种风电机组变桨轴承在线监测装置，其特征在于，所述的无线路由器通过风机环网交换机与主控室的数据服务器相连。

5.根据权利要求1所述的一种风电机组变桨轴承在线监测装置，其特征在于，所述的轮毂采集器至少有6个IEPE信号通道，其中每两个IEPE信号通道集成于一个航空连接器上。