米　林,封泠雨,譚　偉

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室,重慶　400054)

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風電齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)方案設計

米林,封泠雨,譚偉

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室,重慶400054)

摘要：結(jié)合風電齒輪箱在線監(jiān)測現(xiàn)有理論和技術(shù)以及對風電齒輪箱故障的分析，提出了一種實時監(jiān)測風電齒輪箱的新方案。對風電齒輪箱高速端的振動、潤滑油的溫度和壓力進行了實時監(jiān)測,能隨時掌握風電齒輪箱的運行狀態(tài)，在齒輪箱出現(xiàn)故障時可及時采取措施,防止造成不必要的損失。闡述了該方案的理論基礎、具體方案、待解決的問題和方案實現(xiàn)功能，可為風電齒輪箱的檢測技術(shù)提供一定的借鑒。

關鍵詞：風電齒輪箱；實時監(jiān)測；故障

齒輪箱是風力發(fā)電機組中一個重要的機械部件，作為機構(gòu)中的傳動系統(tǒng)起傳輸動力的作用。在風力發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)的情況下，風輪轉(zhuǎn)速較低，難以滿足發(fā)電機的發(fā)電要求，通過齒輪箱增速可以達到發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)正常發(fā)電，所以齒輪箱又稱作增速箱。

風力發(fā)電機組的運行環(huán)境十分惡劣，發(fā)生故障的幾率非常高，安裝和維修工作比較困難，且費用高。在歐洲，風電齒輪箱運行和維護的費用占整個工程的12%～30%[1]。通過實時監(jiān)測上齒輪箱運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理問題是減少風力發(fā)電場損失的一個有效措施。

本文以現(xiàn)有的風電齒輪箱監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，針對大型風力發(fā)電機組的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷需求，設計了一種能實現(xiàn)風電齒輪箱運行狀態(tài)實時監(jiān)測與記錄，以及能進行遠程報警的新方案。根據(jù)企業(yè)要求，監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集、分析、存儲和遠程報警等功能。

目前工業(yè)上使用的監(jiān)測系統(tǒng)是與風電控制系統(tǒng)平行的另一套設備，成本較高。Peter Fogh Odgaard提出使用風電控制系統(tǒng)的傳感器直接測量發(fā)電機轉(zhuǎn)速，以得到齒輪箱共振頻率的變化。該方法需要額外安裝濾波器或者采用霍特林變換來實現(xiàn)信號的獲取和分析[2]。但是，此方法對于后期的故障診斷略顯單一，與本研究的條件不符。

國內(nèi)風電齒輪箱監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)的匯總和處理，并提供給診斷中心進行分析，不具備數(shù)據(jù)的實時處理和遠程報警功能。因此，開發(fā)一套能夠在齒輪箱所有運行狀態(tài)下實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、存儲和遠程報警等功能的風電齒輪箱監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。

1風電齒輪箱常見故障

風電齒輪箱在運轉(zhuǎn)過程中，齒輪持續(xù)工作，既受到大小、方向隨時間呈周期性變化的載荷作用，又受到潤滑和振動等外圍因素的影響，故障時有發(fā)生[3]。

齒輪箱中含有齒輪、滾動軸承和軸3類主要零部件，其失效時產(chǎn)生的故障通常會相互影響[4]。其中，齒輪故障和滾動軸承故障是風電齒輪箱最常見的故障，其他故障還包括轉(zhuǎn)子不平衡、軸承不對中和支撐件松動。

齒輪箱常采用的潤滑方式有飛濺潤滑和強制潤滑，其中強制潤滑使用最為廣泛[5]。一旦潤滑冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題，齒輪箱內(nèi)部環(huán)境變得惡劣，將導致齒輪和軸承提前失效[6]。

2待解決的問題

2.1監(jiān)測參數(shù)的選擇

1) 振動。風電齒輪箱各級齒輪間的嚙合以及軸與軸承在旋轉(zhuǎn)過程中的法向跳動會引起齒輪箱的振動。測量的振動信號含有豐富的故障信息，通過對振動頻譜的分析可以得到各個齒輪的嚙合頻率。齒輪箱低速端轉(zhuǎn)速較低，測量信號太過于微弱，因此本系統(tǒng)把齒輪箱高速端作為測試點，需要在水平和垂直兩個方向進行測量。

2) 溫度。潤滑冷卻系統(tǒng)的故障通常會造成齒輪箱油溫過高或者過低，進一步導致齒面膠合和損傷，在一定程度上還會使齒輪箱的傳動效率降低，所以應對齒輪箱的油溫進行實時監(jiān)控。此外，軸與軸承的摩擦會產(chǎn)生一定熱量，熱量達到熱平衡時，軸承的工作溫度處在正常范圍，但一旦軸和軸承配合異常，使得熱平衡被打破，軸承溫度就會升高。軸承溫度也是齒輪箱中必要的檢測數(shù)據(jù)。

3) 壓力。齒輪箱內(nèi)部的壓力一旦出現(xiàn)異常，就會影響到齒輪箱內(nèi)部潤滑系統(tǒng)的散熱和潤滑功能，嚴重影響風電齒輪箱的正常運行。因此需要對齒輪箱內(nèi)部潤滑油壓強進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障以減少不必要的損失。應企業(yè)要求，分別在齒輪箱潤滑油進口處和油泵出口處設置監(jiān)測點，以保障齒輪箱內(nèi)部潤滑油的流動方向正常。

2.2通訊方式

風力發(fā)電場沒有高速的網(wǎng)絡來實現(xiàn)系統(tǒng)的報警功能，需要一種可行性強的通訊方式完成數(shù)據(jù)傳輸。鄭翔等[7]在風力發(fā)電機組齒輪箱潤滑油溫度監(jiān)控系統(tǒng)中采用GSM-Modem通信技術(shù)對齒輪箱潤滑油溫度進行遠程控制?？紤]使用無線傳輸技術(shù)來實現(xiàn)報警功能。由于電力系統(tǒng)中存在電感、電容等儲能元件，當電壓或電流劇烈變化時會產(chǎn)生頻譜寬、能量高的干擾噪聲，這對電子元器件的危害是相當大的[8]，因此應在方案中對該問題加以重視。

3監(jiān)測系統(tǒng)方案

3.1風電齒輪箱監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成

如圖1所示，風電齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成包括傳感器、變送器、數(shù)采模塊和工控機通信線路[9-15]，實物見圖2。

圖1　風電齒輪箱監(jiān)控硬件組成

1) 傳感器。根據(jù)測量對象的不同需要選用不同的傳感器，其具體型號和參數(shù)如表1所示。

表1　傳感器的選擇

2) 溫度變送器。Pt100溫度傳感器通過內(nèi)部電阻值的大小來反映測量溫度值。本系統(tǒng)采用SBWZ-2280變送器為溫度傳感器Pt100提供變送電路。

圖2　風電齒輪箱監(jiān)控硬件實物

3) 數(shù)采模塊。如圖3(a)所示，本系統(tǒng)采用COMWAY WRC-616無線數(shù)據(jù)采集和控制終端，是集成模擬和數(shù)字信號采集、過程IO控制和無線數(shù)據(jù)通道等功能的高性能測控設備，其連接線路如圖4所示， HAD 4XX4-A為壓力傳感器與變送器的集成模塊。油壓和溫度模塊采用兩線制電流輸出的接線方式，振動模塊采用三線制的接線方式。數(shù)采模塊通過RS485串口輸出，并經(jīng)RS485-To-RS232轉(zhuǎn)換接口接入工控機串口。數(shù)采卡具有遠程通訊模塊，如圖3(b)所示，只要插入3G手機卡就能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)與外部的通訊。

圖3　采集模塊實物

圖4　數(shù)采模塊連接

4) 工控PC機。采用工控PC機對信號進行計算和故障判斷。若判斷出現(xiàn)故障，則PC機反向向數(shù)采卡發(fā)送故障代碼信息，然后數(shù)采卡發(fā)送故障信息至用戶。工控機實物見圖5，工控機參數(shù)見表2。

圖5　工控機實物

型號X26-1037G供電方式12VDC運行內(nèi)存2GBDDR3硬盤內(nèi)存500GB系統(tǒng)Windowsxp接口4個RS232串口4個USB3.0,4個USB2.01個HDMI,2個kM網(wǎng)卡尺寸190mm×190mm×29mm質(zhì)量1500g工作溫度0～70℃

3.2風電齒輪箱監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分

1) 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)功能

系統(tǒng)在無間斷的數(shù)據(jù)采樣過程中進行連續(xù)的數(shù)據(jù)分析和故障判斷。數(shù)據(jù)的存儲和報警程序流程如圖6所示，利用預先輸入的振動、壓力、溫度的正常范圍，對采集數(shù)據(jù)進行故障判斷，以決定不同的存儲方式。若判斷無故障，則以每10 min存儲一段數(shù)據(jù)的方式進行存儲；如果出現(xiàn)故障則需要對故障數(shù)據(jù)進行連續(xù)存儲，并發(fā)送遠程報警信號。考慮到連續(xù)的存儲過程中可能會出現(xiàn)存儲空間不足的現(xiàn)象，因此在未出現(xiàn)故障的情況下每存儲一次數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)庫存儲空間進行一次檢測，若存儲空間不足則需要對數(shù)據(jù)庫進行整理，再完成數(shù)據(jù)的存儲。

圖6　存儲和報警程序流程

2) 程序運行

本系統(tǒng)在labvIEW程序環(huán)境下實現(xiàn)監(jiān)測功能，其前、后面板如圖7、8所示。

圖7　系統(tǒng)前面板

圖8　系統(tǒng)后面板

3) 相關數(shù)據(jù)

為了驗證監(jiān)控系統(tǒng)對各個參數(shù)的監(jiān)控性能，將系統(tǒng)安裝在重慶齒輪箱有限責任公司研發(fā)制造的1.5M kW風電增速箱中進行試驗運行。結(jié)果如表3所示。由于數(shù)據(jù)較多，僅列出5組數(shù)據(jù)作為驗證憑證。根據(jù)企業(yè)要求，溫度1,2通道設定的溫度閾值為70 ℃，壓力通道閾值設定為1 000 kPa，振動烈度閾值為2 mm/s。分別以100,200,300作為報警代碼區(qū)分不同測試參數(shù)的故障狀態(tài)。

表3　試驗數(shù)據(jù)

4結(jié)束語

本文提出的風電齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)方案,滿足了目前風力發(fā)電場所需的在線監(jiān)測要求，能及時對測量數(shù)據(jù)進行分析、比較并判斷設備是否存在故障。同時，為了解決風力發(fā)電場交通不便的問題，采用無線通訊技術(shù)發(fā)送故障報警信息。最后，通過試驗得出數(shù)據(jù)，對本文風電齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能進行驗證。結(jié)果表明：該系統(tǒng)實現(xiàn)了預期的功能。

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(責任編輯楊黎麗)

Project Design of On-Line Condition Monitoring System of Wind Turbine Gearbox

MI Lin, FENG Ling-yu, TAN Wei

(Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:This article combined wind turbine gearbox testing technology with wind turbine gearbox’s malfunction analysis and presented a new project to master the wind turbine gearbox’s operate state at any time. This project made a whole way real-time monitoring in the vibration of the high speed part, temperature of the lubricating oil and the pressure, by which can control the operating state of wind turbine gearbox to prevent unnecessary lost when malfunction appear with measures. This article narrated theoretical basis, definite execute solution, some problems to be solved and functions realization of this new project and also provided certain reference for wind turbine gearbox testing technology.

Key words：wind turbine gearbox; real-time monitoring; malfunction

文章編號：1674-8425(2016)02-0109-05

中圖分類號：TP277

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.019

作者簡介：米林(1964—)，四川武勝人，教授，主要從事汽車、摩托車以及風電等方面的測控技術(shù)研究。

基金項目：重慶重齒風力發(fā)電齒輪箱有限責任公司橫向課題“風電齒輪箱臺架試驗在線監(jiān)控系統(tǒng)”(2015Q22)

收稿日期：2015-10-22

引用格式：米林,封泠雨,譚偉.風電齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)方案設計[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(2):109-113.

Citation format：MI Lin, FENG Ling-yu, TAN Wei.Project Design of On-Line Condition Monitoring System of Wind Turbine Gearbox[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):109-113.