一種基于振動監(jiān)測的風力發(fā)電機組齒輪箱早期故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于振動監(jiān)測的風力發(fā)電機組齒輪箱早期故障診斷方法。該方法首先采集風力發(fā)電機組齒輪箱各測點的原始振動加速度信號，然后采用局部均值分解(Local mean decomposition，簡稱LMD)方法將原始振動加速度信號分解為若干個具有一定物理意義的PF(Product function)分量，再選取包含調幅調頻等故障信息的PF分量進行信號重構，并對重構后的信號進行Hilbert變換，進一步提取故障特征量，最后通過計算待測樣本和標準樣本之間的KL-散度值來判斷故障類型和故障程度。
【專利說明】-種基于振動監(jiān)測的風力發(fā)電機組齒輪箱早期故障診斷方 法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及風力發(fā)電領域，具體涉及一種基于振動監(jiān)測的旋轉機械早期故障診斷 方法，尤其涉及一種基于振動監(jiān)測且應用于風力發(fā)電機組齒輪箱早期故障的診斷方法。

【背景技術】
[0002] 風能作為一種可再生、無污染的新型綠色能源，已被國內外廣泛認為是一種具有 巨大開發(fā)和利用前景的新型能源利用方式。在目前國際上能源短缺日益嚴重的情況下， 大力發(fā)展風電技術是解決能源短缺和環(huán)境污染問題的有效途徑和必然趨勢之一。2013 年，中國（不包括臺灣地區(qū)），新增裝機容量16088. 7麗，同比增長24. 1 % ;累計裝機容量 91412. 89MW，同比增長21. 4%。新增裝機和累計裝機兩項數(shù)據(jù)均居世界第一。
[0003] 近年來，在風力發(fā)電快速發(fā)展的同時，風力發(fā)電機組安全、穩(wěn)定運行逐漸引起了國 內外的高度重視。目前，風力發(fā)電機組主要包括三種類型：雙饋型風力發(fā)電機組，直驅型風 力發(fā)電機組和半直驅型風力發(fā)電機。雙饋型風力發(fā)電機組依靠齒輪箱來實現(xiàn)增速，其生產(chǎn) 技術較成熟，該種風力發(fā)電機是目前的主流機型。直驅機型是沒有齒輪箱的，它避免了由 于齒輪箱而造成的高故障率和維修成本的下降，但直驅機型也有其不可避免的缺點：永磁 發(fā)電機型所需的稀土資源少、直驅機組的電機重量大造成運輸裝配十分困難等，ENERC0N公 司在漢堡的一臺6WM機型，吊裝耗時長達3個月之久。半直驅風機結合了雙饋機型和直驅 機型的優(yōu)勢，在滿足傳動和載荷設計的同時，結構更為緊湊，重量輕。2011年歌美颯推出 的最新的G10X-4. 5麗風電機，采用兩檔變速箱加永磁同步發(fā)電機；維斯塔斯推出的最新 V164-7. OMW風電機的齒輪箱也采用3級增速改為2級增速，電機技術也采用了永磁技術； 在國內，金風科技3MW的風電機也采用了半直驅技術，考慮到風電機組大型化的趨勢，半直 驅的時代可能正在到來。因此，針對雙饋機型和半直驅機型的齒輪箱故障進行研究有重要 的理論指導價值和工程應用意義。
[0004] 由于風電機多位于野外，要經(jīng)受各種惡劣天氣、風速風向變化無常所產(chǎn)生的沖擊 載荷和工況不斷變化等因素的影響，根據(jù)1997-2005年期間四個風場（瑞典兩個風場、芬蘭 一個風場和德國一個風場）的數(shù)據(jù)，齒輪箱成為風力發(fā)電機組故障率較高的部件之一，由 齒輪箱故障所造成的停機時間所占比例最大，約占總停機時間為32%。風力發(fā)電機齒輪箱 一旦發(fā)生故障，其拆裝、運輸及維修費用高達近100萬元，海上風力機的拆裝還要動用大型 輪船和坦克吊車，甚至直升機，其維修和維護成本更高。因此，對風力發(fā)電機組齒輪箱的在 線監(jiān)測和故障診斷必須引起足夠的重視，才能進一步減少風電場的維護成本、增加風電場 的效率?？梢?，在風力發(fā)電機組中有齒輪箱故障引起的停機時間最長，所以對風力發(fā)電機組 中的齒輪箱故障進行研究具有重要意義。
[0005] 近年來，在軸承的故障診斷方面已經(jīng)開展了較為廣泛和富有成效的研究，但針對 軸承的早期故障診斷問題尚處于初步研究階段，且將軸承早期故障診斷方法有效地應用于 風力發(fā)電機組中的研究成果仍然較為缺乏。這主要是由于當軸承出現(xiàn)的損傷類故障處于早 期階段時，表征故障信息的沖擊特征通常比較微弱，由于風電機的機械系統(tǒng)存在正常振動 和干擾信號噪聲，使得信號的故障特征難以提取和凸顯；同時由于風力發(fā)電機組工作環(huán)境 惡劣、風速變化范圍大、以及風機啟停和軸承故障時的沖擊載荷等特殊情況，都為軸承故障 的早期檢測和診斷帶來了極大的挑戰(zhàn)。
[0006] 在CN中，2012年07月11日公開的申請?zhí)枮?02564568A，名稱為"大型旋轉機械 復雜工況下的早期故障搜索方法"的發(fā)明公布了一種用于能源、鋼鐵、煤炭、運輸?shù)刃袠I(yè)的 大型旋轉機械設備的早期故障搜索方法，此系統(tǒng)通過對振動時間序列進行預處理、提取故 障特征因子、故障征兆匹配等環(huán)節(jié)實現(xiàn)早期故障危險點的搜索。由于風力發(fā)電機組多位于 野外，要經(jīng)受各種惡劣天氣、風速風向變化無常所產(chǎn)生的沖擊載荷和工況不斷變化等因素 的影響，采集的振動信號含有很多的背景噪聲，因此常規(guī)旋轉機械故障監(jiān)測方法在風力發(fā) 電機組上的應用效果不理想。


【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明針對目前風力發(fā)電機組齒輪箱早期故障診斷方法不夠及時準確的缺點，對 風力發(fā)電機組齒輪箱進行振動監(jiān)測，提出了一種風力發(fā)電機組齒輪箱早期故障診斷方法， 該方法包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :采用振動加速度傳感器采集原始振動信號，測點包括：齒輪箱輸入軸軸 承、齒輪箱行星齒輪側、齒輪箱中間軸側、齒輪箱高速軸軸承共四個測點的水平和垂直位 置；
[0009] 步驟2 :對采集到的原始振動信號按時間標簽提取N個樣本點，N > 4096,對提取 到的原始振動信號X (t)進行LMD方法分解，可得若干個瞬時頻率具有物理意義的PF分量，

【權利要求】
1. 一種基于振動監(jiān)測的風力發(fā)電機組齒輪箱早期故障診斷方法，其特征在于其包括以 下步驟： 步驟1 :通過加速度傳感器采集原始振動信號，齒輪箱傳感器測點為：齒輪箱輸入軸 軸承、齒輪箱行星齒輪側、齒輪箱中間軸側、齒輪箱高速軸軸承共四個測點的水平和垂直位 置。 步驟2 :對采集到的原始振動信號按時間標簽提取N個樣本點，N > 4096,對提取到的 原始振動信號X (t)進行LMD方法分解，可得若干個瞬時頻率具有物理意義的PF分量，即
式中，x(t)_原始振動信號時域幅值； PFi-第i個分量； r-殘余函數(shù)。 步驟3 :選取包含調幅調頻等故障信息的PF分量用于信號重構，即X' (t) = Σ PFitl 步驟4 :對重構信號進行Hilbert變換，并提取故障特征量。 步驟5 :采集風力發(fā)電機組齒輪箱在不同狀態(tài)下的樣本作為標準樣本，依次計算標準 樣本和待測樣本的故障特征量，并計算待測樣本和標準樣本之間的KL-散度，即
其中，Dkl (P □ Q)-待檢樣本和標準樣本之間的KL-散度； P (i)-第i個待檢樣本重構信號故障特征量； Q(i)_第i個標準樣本重構信號故障特征量。 將它變?yōu)閷ΨQ形式，得 Dkl (PDQ) = [Dkl (P □ Q) +Dkl (QDP)] /2 (3) 最后給出故障部位和故障程度。
【文檔編號】G06F19/00GK104392082SQ201410326679
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權日:2014年7月10日
【發(fā)明者】郭艷平, 熊宇, 晏華成, 宋國翠, 張遠海 申請人:中山火炬職業(yè)技術學院