凌旭，程云榮，肖芝

(1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲，412000；2. 比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳，518000）

0 前言

近十年的發(fā)展，我國風(fēng)電裝備突飛猛進(jìn)發(fā)展，躍居世界風(fēng)電裝備制造大國，同時(shí)也是風(fēng)電裝備裝機(jī)量第二大國[1-2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)主要分為：垂直軸式和水平軸式，我國主要采用水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[3-4]。水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)主要包括：塔筒、機(jī)艙、電機(jī)、齒輪箱、聯(lián)軸器、主軸、輪轂和葉片組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般安裝在風(fēng)速較大，人跡罕至的荒郊野地或大?；膷u上，運(yùn)行環(huán)境相當(dāng)惡劣，非常容易產(chǎn)生故障[5]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所有常見的故障主要包括齒輪箱故障、葉片故障以及發(fā)動(dòng)機(jī)故障。然而齒輪箱故障，僅僅造成機(jī)組不運(yùn)動(dòng)或發(fā)電量不正常，很少出現(xiàn)風(fēng)機(jī)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。而葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的最大的受載旋轉(zhuǎn)部件，機(jī)組在運(yùn)行過程中，葉片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)風(fēng)機(jī)本體的狀態(tài)起決定性作用，若葉片振動(dòng)過大，極易機(jī)組倒塌的危險(xiǎn)。因此，必須對(duì)葉片的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證風(fēng)機(jī)本體的穩(wěn)定性。

葉片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控由于其轉(zhuǎn)速快，附加干擾加速度大，且因旋轉(zhuǎn)使得傳感器不好布線等特點(diǎn)使得其測試的有效性面臨很大的挑戰(zhàn)，目前行業(yè)內(nèi)使用較多的有應(yīng)變片和振動(dòng)加速度傳感器。本文從原理出發(fā)，針對(duì)某陸上機(jī)型，通過對(duì)兩種傳感器測量數(shù)據(jù)的分析，通過對(duì)比兩種測量方式的有效性分析，為風(fēng)電機(jī)組故障診斷及故障溯源提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)情況及測點(diǎn)布置

為實(shí)現(xiàn)測試目的，分別安裝應(yīng)變傳感器和振動(dòng)加速度傳感器在3點(diǎn)和12點(diǎn)方向，其中3點(diǎn)方向可以測量葉片擺振頻率，布置在12點(diǎn)鐘方向可以測量葉片舞振頻率。機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)為停機(jī)狀態(tài)，葉輪鎖死，處于正對(duì)迎風(fēng)狀態(tài)，葉片位置處于豎直位置，完全順槳狀態(tài)（90度）。應(yīng)變片位置葉片12點(diǎn)鐘和3點(diǎn)鐘方向距離葉片固定法蘭大約50厘米處；振動(dòng)加速度傳感器安裝在葉片和輪轂連接法蘭處，葉片應(yīng)力檢測時(shí)風(fēng)速大約12m/s。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 應(yīng)變傳感器和振動(dòng)加速度傳感器對(duì)比

2.1.1 3點(diǎn)鐘方向檢測波形對(duì)比分析

在葉片根部3點(diǎn)鐘方向安裝應(yīng)變傳感器和振動(dòng)加速度傳感器檢測葉片的固有頻率，數(shù)據(jù)采集時(shí)間是1分鐘，采樣頻率是100Hz，時(shí)域波形如下圖1所示。

圖1 3點(diǎn)鐘方向應(yīng)變傳感器和振動(dòng)加速度傳感器時(shí)域波形

由圖1中，3點(diǎn)鐘方向兩種傳感器的時(shí)域波形圖分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變傳感器的波形中的頻率成分明顯少于振動(dòng)加速度傳感器頻率成分，為了更加清楚的分析兩種傳感器之間的差異，對(duì)兩種傳感器的時(shí)域波形進(jìn)行FFT變換，結(jié)果如下圖2所示。

圖2 3點(diǎn)鐘方向應(yīng)變傳感器和振動(dòng)加速度傳感器頻域波形

圖2中，從頻譜中可以看出，應(yīng)變傳感器特征頻率比較顯著能量比較集中，主要集中于A點(diǎn)，頻率為2.08Hz，判斷為葉片的擺振頻率；振動(dòng)加速度傳感器能量主要集中于A點(diǎn)和B點(diǎn)，A點(diǎn)頻率為2.11Hz，判斷為葉片的擺振頻率，B點(diǎn)頻率為0.425Hz，判斷為機(jī)組塔筒的諧振頻率。應(yīng)變傳感器僅對(duì)安裝位置的材料形變比較敏感，因此只能檢測到葉片的固有頻率；振動(dòng)加速度傳感器對(duì)安裝位置以及傳遞到安裝位置的振動(dòng)較為敏感，因此能夠檢測到葉片的固有頻率和塔筒的諧振頻率。

2.1.2 12點(diǎn)鐘方向檢測波形對(duì)比分析

在葉片根部12點(diǎn)鐘方向安裝應(yīng)變傳感器和振動(dòng)加速傳感器檢測葉片的固有頻率，數(shù)據(jù)采集時(shí)間是1分鐘，采樣頻率是100Hz，時(shí)域波形如圖3所示。對(duì)比分析12點(diǎn)鐘方向兩種傳感器的頻率成分，振動(dòng)加速度傳感器波形中的頻率成分明顯要比應(yīng)變傳感器的頻率成分豐富。

圖3 12點(diǎn)鐘方向應(yīng)變傳感器和振動(dòng)加速度傳感器時(shí)域波形

為了更加清楚的分析兩種傳感器之間的差異，對(duì)圖3所示的時(shí)域波形進(jìn)行FFT變換，結(jié)果如下圖4所示。

圖4 12點(diǎn)鐘方向應(yīng)變傳感器和振動(dòng)加速度傳感器頻域波形

由圖4所示，從頻譜中可以看出，應(yīng)變傳感器特征頻率比較顯著能量比較集中，主要集中于A點(diǎn)區(qū)域，頻率為1.09Hz左右，判斷為葉片的擺振頻率；而振動(dòng)加速度傳感器檢測波形的FFT頻率，從頻譜中可以看出，頻率成分比較復(fù)雜，特征頻率不明顯。應(yīng)變傳感器僅對(duì)安裝位置的材料受力形變比較敏感，不受其它部件振動(dòng)的影響，抗干擾能力較強(qiáng)，比較適合振動(dòng)來源定位檢測；振動(dòng)加速度傳感器對(duì)安裝位置以及傳遞到安裝位置的振動(dòng)較為敏感，容易受到干擾，頻譜特性比較復(fù)雜，特征頻率不明顯，不適合對(duì)振動(dòng)來源進(jìn)行定位檢測。

2.2 機(jī)艙加速度傳感器和葉片加速度傳感器對(duì)比

機(jī)艙和塔筒銜接處安裝低頻振動(dòng)加速度傳感器，在葉片根部3點(diǎn)鐘方向和12點(diǎn)鐘方向安裝低頻振動(dòng)加速度傳感器，對(duì)比機(jī)艙振動(dòng)加速度傳感器和葉片振動(dòng)加速度傳感器檢測波形的區(qū)別。數(shù)據(jù)采集頻率為100Hz，數(shù)據(jù)采集時(shí)間長度為60秒。

2.2.1 3點(diǎn)鐘方向檢測波形對(duì)比分析

由圖5所示，機(jī)艙垂直傳動(dòng)鏈方向振動(dòng)加速度時(shí)域波形與葉片根部3點(diǎn)鐘振動(dòng)加速度時(shí)域波形對(duì)比分析，從時(shí)域波形圖中可以看出，葉片根部振動(dòng)加速度時(shí)域波形中高頻分量比機(jī)艙垂直傳動(dòng)鏈方向振動(dòng)加速度波形中高頻分量要豐富。

圖5 機(jī)艙振動(dòng)加速度傳感器和葉片3點(diǎn)鐘振動(dòng)加速傳感器檢測時(shí)域波形

為了更加清楚的分析波形中的頻率成分，對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行FFT變換，如圖6所示，可以看出，兩者波形幾乎一致，葉片在2.1Hz左右的頻帶比機(jī)艙振動(dòng)寬一些，這點(diǎn)與圖5所示的時(shí)域波形相符合。但是，從整體上看，機(jī)艙與葉片振動(dòng)反映的信息是一致的，主要能量均集中于A點(diǎn)和B點(diǎn)，其中A點(diǎn)區(qū)域0.4Hz左右，B點(diǎn)區(qū)域2.1Hz左右，機(jī)艙垂直傳動(dòng)鏈方向的振動(dòng)檢測信息完全能夠代替在葉片根部3點(diǎn)鐘處振動(dòng)加速度傳感器的檢測信息，但是由于振動(dòng)的傳遞性交強(qiáng)，二者均不能對(duì)振動(dòng)的來源進(jìn)行定位。

圖6 機(jī)艙振動(dòng)加速度傳感器和葉片3點(diǎn)鐘振動(dòng)加速傳感器檢測頻域波形

2.2.2 12點(diǎn)鐘方向檢測波形對(duì)比分析

圖7所示，12點(diǎn)鐘機(jī)艙傳動(dòng)鏈方向振動(dòng)加速度時(shí)域波形與葉片根部12點(diǎn)鐘振動(dòng)加速度時(shí)域波形對(duì)比，從時(shí)域波形圖中可以看出，葉片根部振動(dòng)加速度時(shí)域波形中高頻分量比機(jī)艙垂直傳動(dòng)鏈方向振動(dòng)加速度波形中高頻分量要豐富。

圖7 機(jī)艙振動(dòng)加速度傳感器和葉片12點(diǎn)鐘振動(dòng)加速傳感器檢測時(shí)域波形

為了更加清楚的分析波形中的頻率成分，對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行FFT變換，結(jié)果如圖8所示。機(jī)艙傳動(dòng)鏈方向振動(dòng)加速度的FFT波形，可以看出頻譜特征比較顯著；葉片根部振動(dòng)加速度的FFT波形，特征頻率不顯著，干擾成分比較多，不能對(duì)特征頻率進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。安裝在葉片根部的振動(dòng)加速傳感器FFT頻譜比較雜亂，對(duì)振動(dòng)比較敏感，容易受到干擾，尤其是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，會(huì)檢測到更多復(fù)雜的頻率成分，并且不能對(duì)振動(dòng)的來源進(jìn)行定位。

圖8 機(jī)艙振動(dòng)加速度傳感器和葉片12點(diǎn)鐘振動(dòng)加速傳感器檢測頻域波形

3 結(jié)論

用于葉片根部應(yīng)力檢測的應(yīng)變傳感器僅對(duì)葉片根部的受力形變敏感，外部可形成干擾因素較少，抗干擾能力較強(qiáng)，比較適合振動(dòng)來源檢測。

用于葉片根部振動(dòng)檢測的振動(dòng)加速度傳感器用于檢測葉片根部的絕對(duì)振動(dòng)加速度，受機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及振動(dòng)信號(hào)傳導(dǎo)影響，該振動(dòng)信號(hào)不僅包含葉片特征振動(dòng)信息，而且具有復(fù)雜的機(jī)艙整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息，通常頻譜特性復(fù)雜，噪聲顯著，葉片故障及隱患特征頻率不明顯容易被淹沒覆蓋，尤其在機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中會(huì)檢測到大量的復(fù)雜噪聲頻率成分，難以有效實(shí)現(xiàn)基于頻譜特征的葉片故障及隱患特征分析；

機(jī)艙中所安裝的低頻振動(dòng)加速度傳感器和葉片根部所安裝振動(dòng)加速度傳感器在風(fēng)輪靜止且葉片豎直方向鎖檢測的振動(dòng)加速度波形頻譜基本一致，因此在機(jī)艙安裝超低頻振動(dòng)加速度傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)機(jī)艙晃度監(jiān)測，而且也能一定程度實(shí)現(xiàn)在葉片故障隱患監(jiān)測。