朱振海

摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們逐漸意識到可持續(xù)發(fā)展的重要。隨著能源危機及環(huán)境惡化雙重壓力的影響，世界能源供應(yīng)戰(zhàn)略發(fā)生了重大變化，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，在許多國家能源戰(zhàn)略中起到重要的作用。風(fēng)力發(fā)電機是實現(xiàn)風(fēng)能與電能轉(zhuǎn)化的主要設(shè)備，其裝機容量逐年增加國發(fā)展更為迅猛，但同時也暴露出故障頻發(fā)、維護費用昂貴等問題。，尤其在我齒輪箱作為風(fēng)電機組的關(guān)鍵部件，護費用占總維護費用的制約著風(fēng)電機組的工作狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計因齒輪箱故障引起維40%以上。本文就風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)機齒輪箱故障預(yù)測展開探討。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機齒輪箱;統(tǒng)計過程控制;故障預(yù)測

引言

風(fēng)電機組中的齒輪箱是一動力傳送部件，也是一高故障發(fā)生率部件，進行風(fēng)電機組齒輪箱故障診斷的研究，對保證風(fēng)力發(fā)電機組的正常運行具有重要意義。

1風(fēng)機齒輪箱故障預(yù)測難點及原理

（1）風(fēng)機齒輪箱故障預(yù)測難點。SCADA是風(fēng)場設(shè)備管理、監(jiān)測、和控制的重要系統(tǒng)，通過實時收集風(fēng)機運行的環(huán)境參數(shù)、工況參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)實時了解風(fēng)機的運行狀態(tài)，每天都產(chǎn)生大量的相關(guān)部件的數(shù)據(jù)，采樣頻率為10min/次，其中包括：風(fēng)速，有功功率，發(fā)電機轉(zhuǎn)速、對風(fēng)角、風(fēng)機低速軸承溫度，風(fēng)機高速軸承溫度，齒輪箱冷卻水溫度，風(fēng)機驅(qū)動端軸承溫度，風(fēng)機自由端軸承溫度，齒輪箱油溫度等眾多量化特征變量，特征變量之間是非線性，所以風(fēng)電機組參數(shù)眾多且復(fù)雜，屬于高維度、非線性系統(tǒng)。風(fēng)機齒輪箱故障預(yù)測模型的特征變量的選取、回歸模型的選擇和預(yù)報警閾值的確定等是直接關(guān)系到預(yù)測模型的準確性，因此風(fēng)機齒輪箱故障預(yù)測研究的難點在于如何設(shè)計一個有效的回歸預(yù)測模型來解決風(fēng)機齒輪箱高維度、非線性系統(tǒng)等故障預(yù)測問題。（2）風(fēng)機齒輪箱故障預(yù)測原理。針對上述難點問題，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)機齒輪箱故障預(yù)測原理為：從風(fēng)機齒輪箱油溫度與風(fēng)機故障之間有著特定關(guān)系的角度出發(fā)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動進行故障預(yù)測，首先篩選出能反映齒輪箱工作狀態(tài)的特征變量，然后對齒輪箱油溫度的正常狀態(tài)建立回歸模型，預(yù)測模型建立后便可預(yù)測風(fēng)機下一刻的齒輪箱油溫度，然后對比齒輪箱的實際值與模型的預(yù)測值之間的殘差，應(yīng)用殘差控制若發(fā)現(xiàn)殘差幅值長時間超過預(yù)警范圍且越過報警線，則認為齒輪箱出現(xiàn)異常狀態(tài)，出現(xiàn)故障，達到故障預(yù)測的效果。

2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)機齒輪箱故障預(yù)測

2.1振動監(jiān)測

風(fēng)機齒輪箱本質(zhì)上就是一個機械系統(tǒng)，其狀態(tài)的劣化是一個漸變的過程，其一旦發(fā)生異常，都會隨之出現(xiàn)振動加大并引起工作狀況的變化，如效率降低、磨損加劇等，繼而又進一步加劇了振動，造成惡性循環(huán)，直至齒輪箱故障或損壞。振動監(jiān)測的實施方案有連續(xù)監(jiān)測（也稱在線監(jiān)測）、定期監(jiān)測和故障監(jiān)測，由于技術(shù)和經(jīng)濟因素的限制，目前較為常用的是后兩種方案。振動監(jiān)測優(yōu)于其它狀態(tài)量監(jiān)測的原因在于：（1）對于機械設(shè)備，振動是普遍存在的，據(jù)統(tǒng)計，60%以上的機械故障都是通過機械振動反映出來的;（2）振動信號的采集回路與風(fēng)電機組的電氣回路（電壓、電流等）無直接聯(lián)系，不影響其正常工作。振動監(jiān)測不用停機和拆解，即可判斷齒輪箱內(nèi)部的狀態(tài);（3）分析振動信號的理論和方法都比較成熟。風(fēng)力發(fā)電機組正常運行時，處于變風(fēng)速、變風(fēng)向的條件下，在多種不平衡力的作用下，總會產(chǎn)生一定的振動，在分析振動信號時，需要去除這部分振動的干擾，下一章將對振動信號的去噪理論進行論述。

2.2齒輪箱SCADA監(jiān)測變量分析

SCADA系統(tǒng)是針對風(fēng)力發(fā)電機整機的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測的系統(tǒng)，對風(fēng)機關(guān)鍵部件齒輪箱的監(jiān)測主要從溫度、壓力和振動3個方面進行。（1）溫度監(jiān)測。SCADA系統(tǒng)對齒輪箱的溫度監(jiān)測變量主要有：齒輪箱油溫、齒輪箱前軸溫度、齒輪箱后軸溫度和齒輪油入口溫度等監(jiān)測參數(shù)。齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機的葉輪與發(fā)電機之間的橋梁，作用是將葉輪的低轉(zhuǎn)速，通過齒輪箱內(nèi)部行星齒輪運行，轉(zhuǎn)化為發(fā)電機需要的高轉(zhuǎn)速。而齒輪箱是機械藕合部件，在齒輪箱運行過程中會產(chǎn)生大量的摩擦熱量，而齒輪箱內(nèi)部的潤滑油不僅起到機械潤滑、減小摩擦的作用，且能夠帶走摩擦熱量，使齒輪箱溫度處于一定的波動范圍。當(dāng)齒輪箱部件出現(xiàn)故障，如齒輪磨損、內(nèi)圈剝落、軸不對中等故障，這將產(chǎn)生多余的故障摩擦熱量，而齒輪箱冷卻系統(tǒng)無法帶走這部分多余的熱量，隨著時間的推移，導(dǎo)致齒輪箱溫度升高，因此對于這些參量的監(jiān)測，能夠有效的監(jiān)測到齒輪箱故障的發(fā)生。（2）壓力監(jiān)測。SCADA系統(tǒng)對齒輪箱壓力監(jiān)測變量主要有：齒輪油泵壓力、齒輪油入口壓力等監(jiān)測參數(shù)。齒輪箱油泵的作用是通過油液對齒輪箱內(nèi)部部件進行潤滑，同時帶走齒輪箱內(nèi)部部件摩擦產(chǎn)生的熱量，因此對齒輪箱油泵壓力的監(jiān)測時為了更好的保障齒輪箱的正常工作狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測壓力大于預(yù)警范圍，最常見的故障就是輸油管道阻塞，而產(chǎn)生此類故障的主因是齒輪箱內(nèi)部部件運行過程中，機械設(shè)備疲勞損傷或非正常摩擦產(chǎn)生大量碎屑造成的。當(dāng)監(jiān)測壓力小于預(yù)警范圍時，最常見的故障是油液泄露，齒輪箱內(nèi)部部件潤滑不足，加大內(nèi)部部件之間摩擦阻力，增加摩擦產(chǎn)生的熱量，同時由于油液泄露導(dǎo)致油液循環(huán)帶走的齒輪箱內(nèi)部部件摩擦產(chǎn)生的熱量減少，進一步加快齒輪箱內(nèi)部溫度的升高。（3）振動監(jiān)測。SCADA系統(tǒng)對齒輪箱振動監(jiān)測變量主要有：齒輪箱X方向振動、齒輪箱Y方向振動等監(jiān)測參量。齒輪箱內(nèi)部若出現(xiàn)的異常情況，的現(xiàn)象，導(dǎo)致的。在零部件及設(shè)備表面就可感受到設(shè)備的振動，隨后就會出現(xiàn)振動的加大這是振動源在設(shè)備內(nèi)傳播SCADA系統(tǒng)同是監(jiān)測齒輪箱X方向與Y方向振動，能夠?qū)φ駝釉催M行精確的定位，便于設(shè)備故障的快速檢測與維護。

2.3基于小波變換的降噪預(yù)處理

在風(fēng)電機組齒輪箱的故障診斷中，齒輪箱的振動信號含有大量的噪聲，從混有噪聲的振動信號中提取有效的特征信息是故障診斷的重要內(nèi)容，而提取故障特征前對含噪的振動信號進行降噪處理是必須的。降噪方法的選擇直接關(guān)系到故障特征提取的準確性與有效性。目前有許多降噪算法，如傳統(tǒng)的濾波降噪法及現(xiàn)在新興的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法等等。但傳統(tǒng)的濾波降噪法僅在時域或頻域分析，無法表述信號的時域局部性質(zhì)，而新興的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，算法比較復(fù)雜，計算量太大。小波變換是一種信號的時頻分析方法，它作為一種全新的數(shù)學(xué)工具，以其分析處理非平穩(wěn)時變信號獨有的優(yōu)越性，己經(jīng)在很多領(lǐng)域里獲得了廣泛的運用。小波變換具有多分辨多分析的特點，在時一間和頻率兩個領(lǐng)域都有表征信號局部特征的能力，是一種窗口大小固定不變但形狀可以改變的時一頻局部分析方法，它可以把振動信號的特性信息分配到不同尺度相對應(yīng)的小波系數(shù)上。利用小波技術(shù)降噪是小波分析應(yīng)用于工程實際的一個重要方面。

結(jié)語

風(fēng)電機組中的齒輪箱是一個動力傳送部件，同時也是一個高故障發(fā)生率部件，因此開展對其故障診斷的研究，及時發(fā)現(xiàn)其故障并進行維修，對保證風(fēng)力發(fā)電機組的正常運行具有十分突出的實際意義與經(jīng)濟意義。然而，在風(fēng)電機組齒輪箱故障診斷的研究中，最關(guān)鍵、最重要同時也是最困難的問題便是對其故障振動信號特征信息的提取。從某種意義上來講，風(fēng)電機組齒輪箱故障特征的提取直接影響了風(fēng)機齒輪箱故障診斷的準確性、有效性以及故障早期預(yù)警的可靠性。因此，對齒輪箱故障特征提取技術(shù)的研究及改進是一項十分必要且重要的課題。

參考文獻：

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