吉慶昌 陰兆武 邸英杰 張冬梅

【摘? 要】齒輪箱又稱增速箱，是風(fēng)力發(fā)電機組重要的動力傳動機構(gòu)，齒輪箱運轉(zhuǎn)的安全可靠性對風(fēng)力發(fā)電的效率和效益具有至關(guān)重要的作用。據(jù)統(tǒng)計，齒輪箱故障是造成風(fēng)電機組停機的主要因素之一，特別是在停機時長方面的影響更加明顯。因此，采取有效的措施實現(xiàn)對齒輪箱運轉(zhuǎn)狀態(tài)的實時監(jiān)測是提高風(fēng)力發(fā)電效率和效益的重要舉措。論文設(shè)計開發(fā)的風(fēng)電機組齒輪箱在線振動監(jiān)測系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，基于振動分析原理，通過可定制的人機交互界面實時地監(jiān)測齒輪箱的運行狀態(tài)，出現(xiàn)故障時能夠迅速定位，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對潛在的故障進行預(yù)警，以便有針對性地開展運維工作。

【Abstract】Gearbox， also known as speed-increasing box， is an important power transmission mechanism of wind turbine. The safety and reliability of gearbox operation plays a vital role in the efficiency and benefit of wind power generation. According to statistics， gearbox failure is one of the main factors causing wind turbine shutdown， especially its impact on the length of shutdown is more obvious. Therefore， taking effective measures to realize the real-time monitoring of the operation state of the gearbox is an important measure to improve the efficiency and benefit of wind power generation. The online vibration monitoring system for wind turbine gearbox designed and developed in this paper uses big data processing technology， based on the principle of vibration analysis， monitors the operation state of gearbox in real-time through customizable human-computer interaction interface， can quickly locate failure， and early warning potential failure according to historical data， so as to carry out targeted operation and maintenance work.

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機組;齒輪箱;在線監(jiān)測

【Keywords】wind turbine; gearbox; online monitoring

【中圖分類號】TM315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）11-0194-03

1 引言

隨著我國風(fēng)電設(shè)備制造技術(shù)的不斷發(fā)展和裝機容量的持續(xù)增加，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為支撐我國電力事業(yè)發(fā)展的重要組成部分。齒輪箱是風(fēng)電機組的關(guān)鍵部件之一，由于風(fēng)力無規(guī)律的變向變負荷和強陣風(fēng)沖擊的影響，相對于通用齒輪傳動機構(gòu)，風(fēng)電機組的齒輪箱負載復(fù)雜、傳遞功率大、變速比高、故障率高[1]。特別是隨著風(fēng)電機組運行年限不斷增長，其故障率不斷上升，維護維修困難，這嚴重影響了風(fēng)電場的發(fā)電效率和效益。所以，通過安裝在線振動監(jiān)測系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)齒輪箱的潛在故障，防止損傷擴大，對于保證風(fēng)電機組的正常運轉(zhuǎn)與開展計劃性維修和維護具有重要的現(xiàn)實意義[2]。

本文利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在振動數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套風(fēng)電機組齒輪箱運轉(zhuǎn)狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)齒輪箱故障診斷，也可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對潛在的故障進行預(yù)警，以便風(fēng)電場工作人員有針對性地開展運維工作[3，4]。

2 齒輪箱的結(jié)構(gòu)及常見故障

風(fēng)力發(fā)電的過程是風(fēng)作用到葉片上，驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪帶動齒輪箱的主軸轉(zhuǎn)動從而將動能輸送到齒輪箱。齒輪箱將輸入的大扭矩、低轉(zhuǎn)速動能轉(zhuǎn)化成低扭矩、高轉(zhuǎn)速的動能，通過聯(lián)軸器傳遞給發(fā)電機[5]。發(fā)電機將輸入的動能最終轉(zhuǎn)化為電能，最后經(jīng)變頻處理后輸送到電網(wǎng)。齒輪箱一方面作為動力傳動裝置，將風(fēng)輪的動能傳遞給發(fā)電機的轉(zhuǎn)子;另一方面將風(fēng)輪的低轉(zhuǎn)速提升到發(fā)電機能夠正常工作所需要的額定高轉(zhuǎn)速。所以，齒輪箱是風(fēng)電機組傳動鏈中重要的機械部件。目前，大型風(fēng)電機組的齒輪箱普遍采用一級行星和兩級平行軸的三級傳動方式，以滿足傳動比要求。某風(fēng)電場風(fēng)電機組齒輪箱的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[6]。其中，z表示各齒輪的齒數(shù)，用于計算齒輪嚙合頻率。

由于齒輪箱的長期高負荷、高沖擊、高扭矩運轉(zhuǎn)，其故障率相對較高，較為常見的故障包括齒輪故障（斷齒、膠合、點蝕）、軸承故障（軸承過熱，軸承內(nèi)圈、外圈、保持架、滾子損傷、配合處間隙過大）、軸不對稱、不平衡等。風(fēng)電機組齒輪箱常見故障分析如表1所示[7]。表1給出了齒輪箱常見故障的產(chǎn)生原因，從而為日常維護維修提供了重要的參考。在實踐中，當(dāng)齒輪箱發(fā)生故障后，通常采用內(nèi)窺鏡對齒輪箱進行開蓋窺視檢查從而判定故障原因和選擇維修方式。由于風(fēng)電機組齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，存在很多精密元器件，因此，采取傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡難以進行全面的診斷。通過在齒輪箱的預(yù)定部位安裝振動傳感器，利用振動分析的相關(guān)理論在線實時監(jiān)測其運轉(zhuǎn)狀況，利用歷史數(shù)據(jù)對其故障趨勢進行預(yù)警具有重要的現(xiàn)實意義。

3 齒輪箱在線振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

本文基于振動分析原理，應(yīng)用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)針對風(fēng)電機組齒輪箱振動監(jiān)測的特點設(shè)計開發(fā)了風(fēng)電機組齒輪箱在線振動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)齒輪箱低轉(zhuǎn)速軸和高轉(zhuǎn)速軸的運行特點，全面獲取其振動數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測其運轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過大數(shù)據(jù)管理和專業(yè)分析工具及時發(fā)現(xiàn)齒輪箱潛在故障并形成故障預(yù)警報告。該系統(tǒng)按照從設(shè)備運行到用戶使用的順序分感知層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層3個部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

3.1 感知層的構(gòu)成和功能

感知層位于系統(tǒng)底層，通過在齒輪箱預(yù)定位置安裝傳感器獲取振動信息。該層裝配有數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)通信設(shè)備，數(shù)據(jù)采集裝置靠近傳感器位于風(fēng)電塔頂位置，裝置有多通道高速同步數(shù)據(jù)采集接口，集成了以太網(wǎng)通信、RS485等通信接口，支持OPC、Modbus、104協(xié)議，可以和PLC、DCS等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信設(shè)備位于風(fēng)電塔底位置，通過設(shè)置光電轉(zhuǎn)換器利用風(fēng)電場備用光纖線路搭建通信網(wǎng)絡(luò)將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)層。在感知層，根據(jù)實際工況選擇傳感器的類型和安裝測點尤其重要。為獲得有效振動信息，根據(jù)齒輪箱的監(jiān)測位置選擇低頻速度傳感器或者加速度傳感器，轉(zhuǎn)速信息可以從發(fā)電機組的近接開關(guān)處獲得，也可以在高速軸安裝電渦流傳感器獲得。測點選擇一方面要真實反映振動情況，另一方面測點處要有堅實的金屬部位與傳感器連接。各測點之間合理分布會更加全面地提取齒輪箱的有效振動數(shù)據(jù)。為獲取風(fēng)電機組整體振動信息，本文選擇在主軸承處、齒輪箱的輸入和輸出軸承座、行星部位、發(fā)電機兩側(cè)軸承座等幾個測點安裝傳感器，測點分布及安裝的傳感器類型如表2所示。

3.2 數(shù)據(jù)層的構(gòu)成和功能

數(shù)據(jù)層位于系統(tǒng)的中間層，該層依托風(fēng)電場主控室裝配的數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)識別體系數(shù)據(jù)編碼的實時數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)讀取與分發(fā)、數(shù)據(jù)編碼與管理等功能。該層采用SOA架構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)海量異構(gòu)大數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化存儲與管理，還可以根據(jù)機組數(shù)量擴展其他平臺連接，非常方便地組建分布式大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。該層還內(nèi)嵌增強型實時數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)點數(shù)據(jù)和塊數(shù)據(jù)的存儲和訪問。數(shù)據(jù)層平臺架構(gòu)如圖3所示。

3.3 應(yīng)用層的構(gòu)成和功能

應(yīng)用層位于系統(tǒng)的頂層，該層依托風(fēng)電場主控室裝配的應(yīng)用服務(wù)器，可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、振動數(shù)據(jù)分析、故障報告展示、故障報警展示等功能。用戶可以通過可視化的人機交互界面在主控室局域網(wǎng)的任何一個終端電腦上錄入設(shè)備的配置信息，例如，選擇監(jiān)測設(shè)備、通道對應(yīng)測點等，配置界面如圖4所示。

應(yīng)用層集成了多種振動數(shù)據(jù)分析工具，如振動信號的時域波形分析、頻域頻譜分析、包絡(luò)解調(diào)分析等，以滿足專業(yè)分析人員對于數(shù)據(jù)分析和故障診斷的需求，確定設(shè)備振動異常的原因、部位、性質(zhì)，最終為科學(xué)檢修提供指導(dǎo)依據(jù)。

4 系統(tǒng)運行效果驗證

本文設(shè)計開發(fā)的風(fēng)電機組齒輪箱在線振動監(jiān)測系統(tǒng)在某風(fēng)電場進行了安裝調(diào)試。該系統(tǒng)不影響風(fēng)電機組的正常運轉(zhuǎn)，只是在風(fēng)電機組的預(yù)定位置安裝傳感器，選擇的振動測點和安裝的傳感器類型如表2所示。數(shù)據(jù)采集裝置將振動數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過光纖通信設(shè)備傳送到風(fēng)電場中控室的數(shù)據(jù)服務(wù)器。用戶在應(yīng)用層通過配置系統(tǒng)參數(shù)和選擇數(shù)據(jù)分析方法，實現(xiàn)了風(fēng)電機組運行狀態(tài)在線實時監(jiān)測并對其故障趨勢進行預(yù)警。其中一個測點的時域波形和頻譜波形如圖5所示。

時域波形是設(shè)備最原始的振動狀態(tài)數(shù)據(jù)，其峰值、峭度系數(shù)等特征參數(shù)和圖形特征可以直觀簡明地反映設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)，是常用的故障報警方式。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，其振動的頻率會發(fā)生明顯改變，頻譜分析也可以非常直觀地實現(xiàn)齒輪箱的運轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。包絡(luò)解調(diào)分析是被證明的對早期診斷軸承及齒輪故障非常有效的手段，它可以在各個頻段上對信號進行解調(diào)處理，提取出不同區(qū)域的故障特征頻率。包絡(luò)解調(diào)圖如圖6所示。

以時間或者轉(zhuǎn)速為z坐標(biāo)，可以形成測點的三維頻譜圖又稱瀑布圖。通過三維頻譜圖可以判斷測點的各頻率成分隨時間或者轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。三維頻譜圖如圖7所示。

為實現(xiàn)對齒輪箱的故障進行提前預(yù)警，系統(tǒng)利用歷史數(shù)據(jù)，可以得到長時域的波形分析、包絡(luò)解調(diào)和各種對比分析，從而通過特征值變化趨勢識別設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)，找到有問題的設(shè)備。系統(tǒng)也可以對振動數(shù)據(jù)的各個時域有量綱參數(shù)和無量綱參數(shù)進行趨勢分析，通過標(biāo)準(zhǔn)值進行比對，判斷設(shè)備運行狀態(tài)的振動量級，對異常設(shè)備及時發(fā)出黃色、橙色、紅色等不同級別的報警信息并形成故障預(yù)警報告。振動趨勢分析如圖8所示。

5 結(jié)語

本文根據(jù)風(fēng)電機組齒輪箱運轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測的特點和風(fēng)電場根據(jù)故障預(yù)警有針對性地開展運維的現(xiàn)實需求，基于振動分析原理設(shè)計開發(fā)了一種風(fēng)電機組齒輪箱在線振動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在風(fēng)電機組齒輪箱的預(yù)定位置安裝傳感器，利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和振動數(shù)據(jù)分析理論對振動數(shù)據(jù)進行管理和分析，從而實現(xiàn)齒輪箱各個測點的狀態(tài)展示、圖表分析、趨勢分析等。通過在某風(fēng)電場安裝運行，驗證了系統(tǒng)功能的有效性，實現(xiàn)了風(fēng)電機組齒輪箱運轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警功能。

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