風電齒輪箱在線監測系統方案設計

米　林,封泠雨,譚　偉

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室,重慶　400054)

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風電齒輪箱在線監測系統方案設計

米林,封泠雨,譚偉

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室,重慶400054)

摘要：結合風電齒輪箱在線監測現有理論和技術以及對風電齒輪箱故障的分析，提出了一種實時監測風電齒輪箱的新方案。對風電齒輪箱高速端的振動、潤滑油的溫度和壓力進行了實時監測,能隨時掌握風電齒輪箱的運行狀態，在齒輪箱出現故障時可及時采取措施,防止造成不必要的損失。闡述了該方案的理論基礎、具體方案、待解決的問題和方案實現功能，可為風電齒輪箱的檢測技術提供一定的借鑒。

關鍵詞：風電齒輪箱；實時監測；故障

齒輪箱是風力發電機組中一個重要的機械部件，作為機構中的傳動系統起傳輸動力的作用。在風力發電機正常運轉的情況下，風輪轉速較低，難以滿足發電機的發電要求，通過齒輪箱增速可以達到發電機的額定轉速，實現正常發電，所以齒輪箱又稱作增速箱。

風力發電機組的運行環境十分惡劣，發生故障的幾率非常高，安裝和維修工作比較困難，且費用高。在歐洲，風電齒輪箱運行和維護的費用占整個工程的12%～30%[1]。通過實時監測上齒輪箱運行狀態，及時發現并處理問題是減少風力發電場損失的一個有效措施。

本文以現有的風電齒輪箱監測系統為基礎，針對大型風力發電機組的狀態監測與故障診斷需求，設計了一種能實現風電齒輪箱運行狀態實時監測與記錄，以及能進行遠程報警的新方案。根據企業要求，監控系統需要實現現場數據實時采集、分析、存儲和遠程報警等功能。

目前工業上使用的監測系統是與風電控制系統平行的另一套設備，成本較高。Peter Fogh Odgaard提出使用風電控制系統的傳感器直接測量發電機轉速，以得到齒輪箱共振頻率的變化。該方法需要額外安裝濾波器或者采用霍特林變換來實現信號的獲取和分析[2]。但是，此方法對于后期的故障診斷略顯單一，與本研究的條件不符。

國內風電齒輪箱監測系統采集的數據通過局域網傳輸至數據庫，完成數據的匯總和處理，并提供給診斷中心進行分析，不具備數據的實時處理和遠程報警功能。因此，開發一套能夠在齒輪箱所有運行狀態下實現數據采集、分析、存儲和遠程報警等功能的風電齒輪箱監測系統是十分必要的。

1風電齒輪箱常見故障

風電齒輪箱在運轉過程中，齒輪持續工作，既受到大小、方向隨時間呈周期性變化的載荷作用，又受到潤滑和振動等外圍因素的影響，故障時有發生[3]。

齒輪箱中含有齒輪、滾動軸承和軸3類主要零部件，其失效時產生的故障通常會相互影響[4]。其中，齒輪故障和滾動軸承故障是風電齒輪箱最常見的故障，其他故障還包括轉子不平衡、軸承不對中和支撐件松動。

齒輪箱常采用的潤滑方式有飛濺潤滑和強制潤滑，其中強制潤滑使用最為廣泛[5]。一旦潤滑冷卻系統出現問題，齒輪箱內部環境變得惡劣，將導致齒輪和軸承提前失效[6]。

2待解決的問題

2.1監測參數的選擇

1) 振動。風電齒輪箱各級齒輪間的嚙合以及軸與軸承在旋轉過程中的法向跳動會引起齒輪箱的振動。測量的振動信號含有豐富的故障信息，通過對振動頻譜的分析可以得到各個齒輪的嚙合頻率。齒輪箱低速端轉速較低，測量信號太過于微弱，因此本系統把齒輪箱高速端作為測試點，需要在水平和垂直兩個方向進行測量。

2) 溫度。潤滑冷卻系統的故障通常會造成齒輪箱油溫過高或者過低，進一步導致齒面膠合和損傷，在一定程度上還會使齒輪箱的傳動效率降低，所以應對齒輪箱的油溫進行實時監控。此外，軸與軸承的摩擦會產生一定熱量，熱量達到熱平衡時，軸承的工作溫度處在正常范圍，但一旦軸和軸承配合異常，使得熱平衡被打破，軸承溫度就會升高。軸承溫度也是齒輪箱中必要的檢測數據。

3) 壓力。齒輪箱內部的壓力一旦出現異常，就會影響到齒輪箱內部潤滑系統的散熱和潤滑功能，嚴重影響風電齒輪箱的正常運行。因此需要對齒輪箱內部潤滑油壓強進行監測，及時發現故障以減少不必要的損失。應企業要求，分別在齒輪箱潤滑油進口處和油泵出口處設置監測點，以保障齒輪箱內部潤滑油的流動方向正常。

2.2通訊方式

風力發電場沒有高速的網絡來實現系統的報警功能，需要一種可行性強的通訊方式完成數據傳輸。鄭翔等[7]在風力發電機組齒輪箱潤滑油溫度監控系統中采用GSM-Modem通信技術對齒輪箱潤滑油溫度進行遠程控制。考慮使用無線傳輸技術來實現報警功能。由于電力系統中存在電感、電容等儲能元件，當電壓或電流劇烈變化時會產生頻譜寬、能量高的干擾噪聲，這對電子元器件的危害是相當大的[8]，因此應在方案中對該問題加以重視。

3監測系統方案

3.1風電齒輪箱監測系統的硬件組成

如圖1所示，風電齒輪箱在線監測系統的硬件組成包括傳感器、變送器、數采模塊和工控機通信線路[9-15]，實物見圖2。

圖1　風電齒輪箱監控硬件組成

1) 傳感器。根據測量對象的不同需要選用不同的傳感器，其具體型號和參數如表1所示。

表1　傳感器的選擇

2) 溫度變送器。Pt100溫度傳感器通過內部電阻值的大小來反映測量溫度值。本系統采用SBWZ-2280變送器為溫度傳感器Pt100提供變送電路。

圖2　風電齒輪箱監控硬件實物

3) 數采模塊。如圖3(a)所示，本系統采用COMWAY WRC-616無線數據采集和控制終端，是集成模擬和數字信號采集、過程IO控制和無線數據通道等功能的高性能測控設備，其連接線路如圖4所示， HAD 4XX4-A為壓力傳感器與變送器的集成模塊。油壓和溫度模塊采用兩線制電流輸出的接線方式，振動模塊采用三線制的接線方式。數采模塊通過RS485串口輸出，并經RS485-To-RS232轉換接口接入工控機串口。數采卡具有遠程通訊模塊，如圖3(b)所示，只要插入3G手機卡就能夠實現監測系統與外部的通訊。

圖3　采集模塊實物

圖4　數采模塊連接

4) 工控PC機。采用工控PC機對信號進行計算和故障判斷。若判斷出現故障，則PC機反向向數采卡發送故障代碼信息，然后數采卡發送故障信息至用戶。工控機實物見圖5，工控機參數見表2。

圖5　工控機實物

型號X26-1037G供電方式12VDC運行內存2GBDDR3硬盤內存500GB系統Windowsxp接口4個RS232串口4個USB3.0,4個USB2.01個HDMI,2個kM網卡尺寸190mm×190mm×29mm質量1500g工作溫度0～70℃

3.2風電齒輪箱監測系統的軟件部分

1) 軟件系統實現功能

系統在無間斷的數據采樣過程中進行連續的數據分析和故障判斷。數據的存儲和報警程序流程如圖6所示，利用預先輸入的振動、壓力、溫度的正常范圍，對采集數據進行故障判斷，以決定不同的存儲方式。若判斷無故障，則以每10 min存儲一段數據的方式進行存儲；如果出現故障則需要對故障數據進行連續存儲，并發送遠程報警信號。考慮到連續的存儲過程中可能會出現存儲空間不足的現象，因此在未出現故障的情況下每存儲一次數據后對數據庫存儲空間進行一次檢測，若存儲空間不足則需要對數據庫進行整理，再完成數據的存儲。

圖6　存儲和報警程序流程

2) 程序運行

本系統在labvIEW程序環境下實現監測功能，其前、后面板如圖7、8所示。

圖7　系統前面板

圖8　系統后面板

3) 相關數據

為了驗證監控系統對各個參數的監控性能，將系統安裝在重慶齒輪箱有限責任公司研發制造的1.5M kW風電增速箱中進行試驗運行。結果如表3所示。由于數據較多，僅列出5組數據作為驗證憑證。根據企業要求，溫度1,2通道設定的溫度閾值為70 ℃，壓力通道閾值設定為1 000 kPa，振動烈度閾值為2 mm/s。分別以100,200,300作為報警代碼區分不同測試參數的故障狀態。

表3　試驗數據

4結束語

本文提出的風電齒輪箱在線監測系統方案,滿足了目前風力發電場所需的在線監測要求，能及時對測量數據進行分析、比較并判斷設備是否存在故障。同時，為了解決風力發電場交通不便的問題，采用無線通訊技術發送故障報警信息。最后，通過試驗得出數據，對本文風電齒輪箱在線監測系統的功能進行驗證。結果表明：該系統實現了預期的功能。

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(責任編輯楊黎麗)

Project Design of On-Line Condition Monitoring System of Wind Turbine Gearbox

MI Lin, FENG Ling-yu, TAN Wei

(Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:This article combined wind turbine gearbox testing technology with wind turbine gearbox’s malfunction analysis and presented a new project to master the wind turbine gearbox’s operate state at any time. This project made a whole way real-time monitoring in the vibration of the high speed part, temperature of the lubricating oil and the pressure, by which can control the operating state of wind turbine gearbox to prevent unnecessary lost when malfunction appear with measures. This article narrated theoretical basis, definite execute solution, some problems to be solved and functions realization of this new project and also provided certain reference for wind turbine gearbox testing technology.

Key words：wind turbine gearbox; real-time monitoring; malfunction

文章編號：1674-8425(2016)02-0109-05

中圖分類號：TP277

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.019

作者簡介：米林(1964—)，四川武勝人，教授，主要從事汽車、摩托車以及風電等方面的測控技術研究。

基金項目：重慶重齒風力發電齒輪箱有限責任公司橫向課題“風電齒輪箱臺架試驗在線監控系統”(2015Q22)

收稿日期：2015-10-22

引用格式：米林,封泠雨,譚偉.風電齒輪箱在線監測系統方案設計[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(2):109-113.

Citation format：MI Lin, FENG Ling-yu, TAN Wei.Project Design of On-Line Condition Monitoring System of Wind Turbine Gearbox[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):109-113.