風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)平衡檢測(cè)技術(shù)的研究

□ 莊 駿 □ 張永明 □ 林均斌 □ 孫 斌 □ 謝 珺

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200072

因風(fēng)能具有可再生性和無污染性的優(yōu)點(diǎn)，所以風(fēng)能是目前最具有開發(fā)利用前景和技術(shù)最成熟的一種新能源和可再生能源［1］。隨著風(fēng)能的開發(fā)和利用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量以及裝機(jī)量逐年增加［2］。因葉片加工精度、安裝質(zhì)量和結(jié)冰等問題，機(jī)組風(fēng)輪經(jīng)常伴隨著不平衡的問題，不平衡將引起機(jī)組振動(dòng)，會(huì)造成部件過快失效或損壞［3］。解決這一問題的最直接和最有效的方式就是對(duì)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪進(jìn)行平衡檢測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行平衡處理。

1 硬件平臺(tái)

1.1 總體框架

振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集是振動(dòng)分析的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性是評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)劣的先決條件，只有當(dāng)采集到的振動(dòng)信號(hào)與機(jī)組振動(dòng)形式完全符合時(shí)，才有可能準(zhǔn)確判斷出引起機(jī)組振動(dòng)的根本原因。本文搭建了一套用于風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)平衡檢測(cè)的低頻振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，主要包括小型風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器、傳感器組、信號(hào)預(yù)處理電路、PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、顯示器5個(gè)部分，硬件系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

1.2 小型風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器

▲圖1 硬件系統(tǒng)總體框圖

▲圖2 風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器結(jié)構(gòu)圖

為了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)平衡檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，需要設(shè)計(jì)一個(gè)小型風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器，能夠模擬真實(shí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。對(duì)真實(shí)風(fēng)機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，最終設(shè)計(jì)的小型風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器如圖2所示。

該實(shí)驗(yàn)器主要由電機(jī)、葉片、輪轂、主軸、皮帶輪、支架、底座組成，其中葉片長(zhǎng)度為1.5 m，通過螺栓將葉片固定在輪轂上，然后將輪轂裝在主軸上，并通過鍵限制輪轂的旋轉(zhuǎn)；將主軸放在支架兩邊的軸承上，兩邊的支架可以在底座上左右移動(dòng)，并可以在合適的位置上固定下來；電機(jī)裝在支架上，由于真實(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速一般較低，為此小型風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器選擇的電機(jī)轉(zhuǎn)速不能太高，必須是低速電機(jī)。筆者選擇宜家減速機(jī)廠的三相立式齒輪減速電動(dòng)機(jī)GLF28-750，額定轉(zhuǎn)速為58 r/min，額定功率為0.75 kW，能夠較好地滿足實(shí)驗(yàn)要求。為了研究風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)特性，本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了通過皮帶輪可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)器風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在10～100 r/min之間的變化，并且可以在實(shí)驗(yàn)器葉片上增減配重，以此研究風(fēng)機(jī)的振動(dòng)與不平衡質(zhì)量之間的關(guān)系。

1.3 傳感器組

實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量振動(dòng)信號(hào)與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，因此需要配置振動(dòng)傳感器和光電傳感器。平衡測(cè)量中，常用的測(cè)振傳感器包括可動(dòng)線圈式傳感器、電容式傳感器、電渦流位移傳感器和壓電傳感器。可動(dòng)線圈式傳感器通常用于軟支撐平衡機(jī)，當(dāng)它用于硬支撐平衡機(jī)時(shí)，需要杠桿放大機(jī)構(gòu)來放大支撐架的位移，但杠桿放大機(jī)構(gòu)存在的摩擦?xí)a(chǎn)生相移，影響信號(hào)的測(cè)量精度。電容式傳感器可實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量，靈敏度高，分辨率強(qiáng)，但它存在相位滯后、量程范圍有限等缺點(diǎn)。電渦流傳感器也屬于非接觸式傳感器，線性度好，測(cè)量范圍寬，但價(jià)格相對(duì)較高。壓電傳感器具有體積小、精度和靈敏度高以及工作頻率范圍廣［4］等特點(diǎn)。綜合考慮靈敏度、帶寬和線性度等性能，選擇壓電傳感器作為測(cè)振傳感器。風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在10～100 r/min之間，即0.17～1.67 Hz，為了實(shí)驗(yàn)的需要，選擇揚(yáng)州科動(dòng)電子公司的IC超低頻加速度傳感器KD12000L，它的電壓靈敏度為20V/g（1g=9.8 m·s-2），使用頻率范圍為 0.05～400 Hz，最大量程為 0.2g，使用溫度范圍-20～80℃，需用 2～10 mA的恒流源供電。

相位是旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析中不可或缺的參數(shù)［5］，使用光電傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速和相位很方便。試驗(yàn)器中鍵相信號(hào)由光電傳感器檢測(cè)葉片上的光標(biāo)在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一圈時(shí)產(chǎn)生的脈沖來提供，測(cè)量相鄰脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔就可以測(cè)得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，同時(shí)，此脈沖信號(hào)也作為相位測(cè)量的基準(zhǔn)。本文采用了光電傳感器來測(cè)量轉(zhuǎn)速和相位，其供電電壓為12 V。

1.4 PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了采集到振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，選用了PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中包括數(shù)據(jù)采集卡、機(jī)箱、控制器、電纜、接線盒5部分。實(shí)驗(yàn)中需要同時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)和光電傳感器信號(hào)，所以數(shù)據(jù)采集卡必須具有多通道同步采樣的功能，選用了NI PXIe-6368數(shù)據(jù)采集卡，它可以實(shí)現(xiàn)2 MS/s通道下16路同步模擬輸入，分辨率為16位，量程為-10～10V。NI PXIe-6368數(shù)據(jù)采集卡的使用需要配置NI SCB-68A接線盒以及NI SHC68-68-EPM電纜，NI SCB-68A是一款屏蔽式I/O接線盒，用于將I/O信號(hào)連接至配有68針連接端口的插入式DAQ設(shè)備，NI SHC68-68-EPM電纜用于連接數(shù)據(jù)采集卡與接線盒。

為了完成數(shù)據(jù)的采集，還配置了NI PXIe-1071機(jī)箱和NI PXIe-8108控制器，NI PXIe-1071機(jī)箱具有3個(gè)混合插槽，與PXI模塊兼容，NI PXIe-8108控制器具有2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400雙核處理器。

1.5 信號(hào)預(yù)處理電路

在振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理中，振動(dòng)加速度傳感器的輸出信號(hào)通過濾波電路、程控增益電路、積分電路等環(huán)節(jié)，輸出較為純凈的振動(dòng)信號(hào)。

2 軟件系統(tǒng)

為了完成風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)平衡檢測(cè)的研究，筆者設(shè)計(jì)了不平衡檢測(cè)的軟件系統(tǒng)，并且在LabVIEW中編寫了相關(guān)的程序，其流程如圖3所示。圖中，DAQ通道應(yīng)選取兩路模擬輸入端，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)傳感器信號(hào)和光電傳感器信號(hào)的同步采樣；所采集的數(shù)據(jù)類型按照傳感器的輸出信號(hào)類型選取，實(shí)驗(yàn)中選取電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)的最大值和最小值應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的量程選取，這里最大值為+10V，最小值為-10V；在監(jiān)測(cè)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的振動(dòng)時(shí)，其含有一定的高頻信號(hào)，采樣頻率通常設(shè)置為最高分析頻率的10倍以上，當(dāng)然，在不影響信號(hào)處理速度的情況下，采樣頻率越高，得到采樣的振動(dòng)數(shù)據(jù)越能完整地反映機(jī)組的振動(dòng)特性；風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的一個(gè)周期內(nèi)采集了N個(gè)數(shù)據(jù)，為了便于FFT分析，選取N為2n（n=1,2,3,...）［6］，取 n=12，即 4 096 個(gè)點(diǎn)，此外，所采集到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)一般是含有多種頻率成分的混合正弦信號(hào)，具有明顯的周期性，在每個(gè)周期中都有反映振動(dòng)特性的振動(dòng)特征值。如果把每個(gè)周期特征值都單獨(dú)顯示，那么這些數(shù)據(jù)不僅波動(dòng)較大，難以準(zhǔn)確地體現(xiàn)其振動(dòng)特性，而且數(shù)據(jù)刷新頻率會(huì)比較快，肉眼難以識(shí)別。同時(shí)，周期數(shù)也不宜太大，否則可能會(huì)淹沒一些重要的特征信息，造成不能準(zhǔn)確、及時(shí)地反映振動(dòng)特性，實(shí)驗(yàn)中選取每次采集和分析的周期數(shù)為4，每次采集的點(diǎn)數(shù)為 16 384（4 096×4=16 384）個(gè)；在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，需要準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周，光電傳感器獲得一個(gè)脈沖，那么至少需要采集兩個(gè)周期的數(shù)據(jù)，一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速最低約為10 r/min，假設(shè)為了測(cè)量轉(zhuǎn)速，筆者采集2.5個(gè)周期，那么測(cè)量時(shí)間為15 s，則采樣頻率為1 092 Hz，并且數(shù)據(jù)的讀取類型為多通道讀取，這樣可以通過索引數(shù)組的方式分別讀取振動(dòng)傳感器信號(hào)和光電傳感器信號(hào)；數(shù)據(jù)處理包括相關(guān)濾波、相位計(jì)算、FFT變換、數(shù)據(jù)保存等，其中，相關(guān)濾波和相位計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)從復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)中提取與轉(zhuǎn)速同頻的正弦波幅值和相位信息，F(xiàn)FT是為了在頻域中顯示振動(dòng)信號(hào)中各諧波分量，數(shù)據(jù)保存是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便進(jìn)行離線分析。

▲圖3 軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及條件

（1）所有實(shí)驗(yàn)在搭建的小型風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器上運(yùn)行，風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)器轉(zhuǎn)速在10～100 r/min之間，滿足真實(shí)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速較低的要求；

（2）由振動(dòng)傳感器KD12000L、普通光電傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、PCI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、顯示器組成振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)；

（3）基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了風(fēng)輪平衡檢測(cè)軟件系統(tǒng)；

（4） 質(zhì)量為 8.33g、44g、97g 的配重。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）更換皮帶輪，使風(fēng)輪在不加配重的情況下分別在 10 r/min、20 r/min、30 r/min、40 r/min、50 r/min、60 r/min、70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min 的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，研究不平衡位移幅值x以及相位θ與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n的關(guān)系。

（2）使風(fēng)輪在特定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，測(cè)得在風(fēng)輪參考相位的葉片上不加配重，以及加8.33g、44g、97g配重下的不平衡位移，研究不平衡位移幅值x以及相位與配重質(zhì)量m之間的關(guān)系。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)振動(dòng)傳感器信號(hào)和光電傳感器信號(hào)應(yīng)用相關(guān)濾波和相位計(jì)算的程序，可以獲得風(fēng)輪在不同轉(zhuǎn)速和不同配重下不平衡位移的幅值和相位信息。在MATLAB中對(duì)各離散點(diǎn)進(jìn)行擬合，最終得到的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：x為不平衡位移；m為配重質(zhì)量；n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；t為時(shí)間。

該公式反映了在實(shí)驗(yàn)中搭建的系統(tǒng)其振動(dòng)位移幅值與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和配重質(zhì)量的關(guān)系,以及振動(dòng)位移相位與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系。對(duì)于實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，由于積冰等原因而導(dǎo)致振動(dòng)位移超過故障的閾值時(shí)，在能夠監(jiān)測(cè)到風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的情況下，可以通過經(jīng)驗(yàn)公式判斷不平衡質(zhì)量的大小和角度，并進(jìn)行相應(yīng)的平衡處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)平衡檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，在實(shí)驗(yàn)中搭建了信號(hào)采集的硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了平衡檢測(cè)的軟件系統(tǒng)，能夠較好地提取不平衡位移的幅值和相位信息。最后對(duì)不同轉(zhuǎn)速和不同配重下的不平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到適用于本系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式。

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