摘要：风力发电作为无污染新型能源受到世界各国的重视，但风力发电机体积庞大、难维修成为风力发电发展面临的一大问题。其中，轴承又是风电机中故障多发的部件，对轴承进行在线检测及故障诊断就显得尤为重要。风力发电机组振动在线检测系统能够远程检测风力发电机的运行状态，并诊断出故障的位置、类型和严重程度，以便及时地对故障进行抢修，延长风力发电机的寿命，减小风力发电厂的损失，因此研究风力发电机组振动在线检测技术有着重大的意义。
关键词：风力发电机组振动；在线检测；故障诊断
前言
我国风力发电战略进展迅猛，但在初级阶段面临故障多发的问题。由于风力发电机安装在几十米的高空，且风电场现场环境恶劣，所以风机故障不能被及时发现并做出有效的处理，往往是等到设备停转再用新的替换旧的，不但影响了风机的工作时间，还增加了维护成本，使风电场蒙受巨大损失。国外已经出现了某风机制造商因保修其故障多发的产品导致企业入不敷出而破产的报道。如果能够及时发现故障并做出报警，工作人员就可以根据故障情况做出处理，对小故障及时维修，防止小疾发展成大病；严重的故障可以早订备件，及时维修，缩短停机等待的时间，从而提高风力机利用率，减少维修费用。可见，对风力发电机做出有效的故障预警和诊断工作非常重要。
1、系统设计
1.1方案总体描述
本系统主要功能包括：通过安装在机舱内外的多路视频监控信号.对发电机组进行视频监控，方便维护人员远程监视设备运行状态；通过语音监控信息可以发现机组运行过程中的异常响动.及时采取措施避免更大的经济损失，并可实现与现场人员的通话；通过对齿轮箱、轴系等旋转设备的振动监测，对机组设备的状态进行实时监测与分析.对设备异常情况进行报警，减少故障发生率，提高风机系统安全可靠性；通过网络系统及远程多媒体技术.为检修人员提供与主控单元之间的多媒体交互及远程维修指导功能。
本系统由多台安装在风力发电机组的视频摄像、振动、声音、温度等信号采集装置及监控处理装置组成，远程监控中心通过网络光纤与机组监控单元进行数据交换，对状态信息进行存储与深入诊断。图1和图2分别为系统方案拓扑结构示意图和功能结构图。
图1系统拓扑结构
图2系统功能结构图
系统采用基于IP的网络传输技术及数据采集、数据分析、数据存储、数据检索等技术进行设计，并具有良好的可扩展性，使本系统能更好地为风电场提供多种综合功能服务。
1.2系统各模块功能具体描述
1.2.1机组多媒体监测模块
风电场视频监控系统是目前24h掌握机组设备运行情况及指挥处理设备障碍的重要手段。根据机组主要监视场所及要害部位进行视频监控。如机舱、齿轮箱、扭缆、塔底等部位。通过视频编码服务器对模拟图像进行编码转成IP数据流.同时与部分控制信号编码，通过光纤以太网传输系统，在监控中心进行统一解码及管理，实现基于无人值守的风电场监控指挥系统。
系统设计充分考虑可靠性、先进性、开放性、经济性等原则。同时采用嵌入式设计理念.高性能CPU。外扩丰富外设接口。极大满足客户的实际应用需求。采用ARM+DSP芯片对图像进行处理。达到D1解析度，具有极佳的图像画质和完美的功能特性。采用H.264视频压缩技术，压缩比高，且处理非常灵活。。
1.2.2机组振动监测模块
传动系统是大型风力发电机组的关键部件.用来连接风轮与发电机。它是实现风能转换和传递过程的主要承载部件。根据有关资料对长期运行的大型风电机组故障统计，传动系统故障，特别是齿轮箱故障在风电机组故障中占很大比例Ⅲ。目前国内外对于齿轮箱状态监测与故障诊断主要采用振动监测技术。齿轮传动系统在运行中，由于受到内外部交变载荷的激励作用产生振动，当零部件发生故障时，激励发生变化，结构振动状态也将发生相应变化。利用振动加速度传感器测量齿轮箱体的振动信号。通过先进的信号分析方法提取振动信号中的故障特征信息，判断齿轮箱内部发生的故障，并对故障原因、部位、程度等进行分析识别，形成齿轮箱的运行状态的综合分析结果。为设计、运行和维护维修提供有用信息。
1.2.3智能数据处理器
为了完成数据采集、分析、处理及传输，本课题自主研发HDZTJC-4P智能数据处理器设备。其核心技术已在多个项目中成功使用.具有很好的稳定性和扩展性。主要负责机组的振动、温度等信号数据采集：视频、音频多媒体数据采集；数据分析、压缩、传输；摄像机控制；语音通话及其他扩展接口参数控制等。该装置集RAM—DSP技术为一体，采用嵌入式设计理念，高性能CPU，外扩丰富外设接口，极大满足风电场运行状态监测与分析系统的实际应用需求。
2、常用故障诊断方法
滚动轴承故障诊断的方法很多，按照测取信号的性质来分类：振动检测法、
温度检测法、油样分析法、间隙测定法、接触电阻法等[12]。
（1）振动检测法
振动检测法指的是将振动传感器装在合适的位置，来监测轴承振动信号，并对此信号数据进行分析，运用各种算法来判断故障。纵观各种检测方法，应用于机械故障诊断中且检测出故障异常最多的是振动检测法，现在，大多数的诊断仪器及检测系统都是根据此方法衍生出的，经过多年的研究及判断，从适用、实用、有效的观点看，振动法是最好的滚动轴承监测与诊断方法了。本文中选用的就是振动检测法。
（2）温度检测法
当滚动轴承产生异常时，温度会随之发生变化。对轴承温度进行检测是很早就开始采用的方法。但这种方法有一定的缺陷：裂纹、表面剥落等轴承滚动面上局部损伤，初期阶段时，温度检测法几乎不可能检测出。由于热量引起的烧伤类损伤，初期阶段也很难检出，当检测到温度明显的上升时，故障一般都已经很严重了。虽然温度检测法效果不大理想，但因为轴承受其润滑剂或等使用温度界限的限制，监视是否超出其界限温度，对防止轴承产生异常还是很重要的。
（3）油样分析法
通过分析润滑油样中金属颗粒的形状、大小，以此来判断轴承是否有故障及故障程度。随着检测水平的提高，使抽样检验分析慢慢成为一种有效的方法。经过各种故障原因的数据显示，造成轴承损伤的原因之一就是油液污染。可以通过对轴承润滑油污染变质程度的检测，来判断是否需要更换油液、维修轴承部件。此方法是通过从轴承各部位中取出用过的机油等，经过测量油中琐屑的比例及含量，依此来判断轴承的故障程度。并根据此方法对轴承进行监测，可以提前发现异常，早点维修，降低经济损耗。
（4）间隙测定法
当滚动轴承的保持架或滚动体磨损时，轴承的间隙会增大，磨损后的间隙和新轴承的间隙值比较，通过这个方法即可掌握轴承的磨损量。但是，轴承在旋转的状态下，直接测定间隙非常困难，所以常采用间接的轴承间隙测定法。通常，间隙测定法中最好使用轴的位置检出法，如检查轴的振摆或轴端的移动量等方法。当滚动轴承的保持架或滚动体磨损时，轴承的间隙会增大，可以根据这个方法判断磨损程度。
3、结语
系统安装并使用后，大大减少了巡检次数和强度．同时设备巡视的及时性大大提高。对于现场生产调度和指挥具有极大的帮助。该系统已在某风电场投入使用．并且成功监测出某台风机高速轴齿轮存在故障；从整体监测过程看来．安装视频监控系统不仅必要．而且可行，对机组直观监控具有重要的实际意义。
参考文献：
[1]张彦创.风电机组状态监测与故障诊断系统的设计与实现[D].吉林大学,2013
[2]谢源,焦斌.风力发电机组状态监测系统与故障诊断方法研究现状[J].上海电机学院学报.2011.13(6):328-333
论文作者:赵伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/24
标签：故障论文; 轴承论文; 齿轮箱论文; 机组论文; 方法论文; 间隙论文; 在线论文; 《电力设备》2018年第32期论文;