風電齒輪箱故障診斷信息集成系統研究與開發

李效龍，郝 莉

（1.南京高精齒輪集團有限公司，江蘇 南京 210000；2.中科南京移動通信與計算創新研究院，江蘇 南京 210000）

風力發電機是將風能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能的一種裝置。增速齒輪箱是風力發電機組主要的變速和能量傳遞部件，它將葉輪受風力作用旋轉而產生的動力傳遞給發電機發電，同時將葉輪輸入的很低的轉速轉變為滿足發電機所需的轉速，其傳動系統可看作是一種受無規律變向載荷的風力作用及強陣扭矩沖擊的變載荷條件下工作的低速、重載齒輪傳動[1-2]。由于機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風口處的偏遠地帶，常年經受酷暑嚴寒和極端溫差的影響，加之所處自然環境交通不便，且增速齒輪箱安裝在塔頂的狹小空間內，距地面幾十米或百余米高，維護困難，故障頻發。一個擁有20 年壽命的風力發電機，其運行、維護和零部件的更換至少要花費其總發電收入的10%～15%，其中，增速齒輪箱的故障發生百分比已超過60%，是機組中故障發生率最高的部件[3-4]。增速齒輪箱價格昂貴、生產和修理周期長，保持其良好運行狀態對風電機組的穩定運行意義重大。建立自主知識產權的風電設備制造技術和運用傳感器網絡化信息集成技術開發故障診斷集成信息系統對風電機組增速齒輪箱進行狀態監測和遠程故障診斷具有實用價值。

1 系統總體結構設計

針對大型并網機組多臺風電機之間和單臺風電機的故障信息須集成到統一的系統平臺，本系統為提高其運行水平進行了研究和設計。系統總體的物理結構如圖1 所示。

圖1 系統總體物理結構

系統結構從總體上分為3 個層次：數據采集、狀態監測和遠程故障診斷。數據采集層主要是根據增速齒輪箱的結構和故障機理分析，采用振動、溫度等傳感器對風電機增速齒輪箱進行布點監測，并運用數據采集硬件與軟件對數據進行采集和處理，監測風電機齒輪箱的運行狀態；狀態監測層是基于局域網的風電機增速齒輪箱運行狀態監控層。通過對監測數據的分析和預測來掌握增速齒輪箱的運行狀態，保證機組安全穩定的運行；遠程故障診斷層是基于瀏覽器對機組運行的故障數據通過Internet 進行遠程傳輸并診斷。

2 軟件系統設計

軟件系統的設計是故障診斷信息的核心，采用統一的系統界面，提供對多臺風電機組增速齒輪箱的狀態監測，故障診斷和設備維修。軟件系統軸承故障診斷的界面圖如圖2 所示，上面是系統的4 個功能模塊，左側是每個功能模塊的樹形子模塊，每個子模塊都采用下拉式菜單窗口，并以漢字的形式提供各個功能的選擇。右側是診斷數據和圖像顯示區，通過詳情的查看，可以看到故障圖譜。通過圖譜上方下拉式菜單的選擇，可以查看不同的故障圖像。下面圖譜是基于實驗室22kW 的風電機實驗平臺齒輪箱高速端軸承測試得出的頻譜圖，圖中清晰的顯示出軸承振動的特征頻率。

圖2 風電機齒輪箱軸承故障診斷界面

軟件系統采用B/S（瀏覽器/服務器）設計模式、Windows Sever 2003 系統平臺和服務器應用程序組（包括數據交換模塊、數據存儲模塊和Web 發布模塊)。系統程序集中在Web 服務器上運行，無須安裝客戶端軟件，實現表示層、功能層和數據庫服務層的B/S三層體系結構。同時，運用ASP 網絡技術、SQL 2005 數據庫系統，進行集成開發，并能夠以數字界面和圖像界面的形式顯示齒輪箱的運行狀態。用戶只要擁有權限，便可以通過瀏覽器登錄到系統的主頁查看和診斷大型并網風電機組齒輪箱的運行狀況。

軟件系統為一個網絡應用服務系統，故障診斷信息集成系統功能模塊，如圖3 所示，主要包括：基本信息模塊、狀態監測模塊、故障診斷模塊和設備維修模塊，每個模塊又分成多個子系統。

圖3 軟件系統功能模塊結構

2.1 基本信息模塊

基本信息模塊通過各種數據顯示風電機增速齒輪箱主要零件的基本情況，用戶可以通過此模塊詳細地了解齒輪箱的結構參數信息、應用參數信息和零件儲備信息。

2.2 狀態監測模塊

風電機組工作環境惡劣，運行工況隨風速變化，風輪轉速以及零部件承受的載荷也隨時發生變化，極易造成增速齒輪箱零部件出現故障甚至損壞。齒輪和軸承的故障是增速齒輪箱的主要故障，對齒輪和軸承的運行狀態的監測就是通過齒輪和軸承的振動特征參數和振動圖像與標準閾值對比，判斷齒輪箱中齒輪和軸承是否存在故障，若存在故障，則保存故障數據，發出報警信號。

1）振動特征參數是由有效值、均值、方根幅值、K 因子、峰值、峭度、峰值因子、峭度因子、脈沖因子、裕度因子和波形因子組成。這些參數是進行振動信號幅域處理常用的指標。其中有效值、均值、方根幅值、K 因子和峰值為有量綱參數指標，而峭度、峰值因子、峭度因子、脈沖因子、裕度因子和波形因子為無量綱參數指標[5]。不同的參數反映齒輪和軸承不同的失效形式，參數的綜合應用才能真實地反映出齒輪和軸承的運行狀況。

2）振動圖譜由時域波形圖、包絡線圖、頻譜圖、功率譜圖、倒頻譜圖、包絡譜圖和相關解調譜圖組成[6]。基于不同的濾波范圍，從不同的角度監測了增速齒輪箱的運行狀態。

2.3 故障診斷模塊

故障診斷是遠程診斷專家基于齒輪箱的結構和故障機理，參考典型故障，分析增速齒輪箱的故障診斷特征參數和故障診斷圖像。根據圖譜中齒輪箱零部件的故障特征頻率成分以及有關頻率成分處幅值的大小，精確診斷出齒輪箱的故障類型、故障位置和故障的嚴重程度，找出故障原因，并給出診斷結論。

1）故障診斷特征參數就是狀態監測中保存的故障數據，不同的參數代表各自的故障信息。根據診斷參數數值的大小和標注閾值比較，清晰地判斷出故障類型、故障位置及其嚴重程度。

2）故障診斷圖像是狀態監測中保存的故障圖譜。診斷專家在故障診斷特征參數的基礎上，通過綜合分析時域波形圖和頻域波形圖中故障信號的時間、頻率和幅值的變化情況，并與齒輪和軸承的特征頻率對比，確定故障情況和故障的發展趨勢。

3）故障診斷結論是遠程診斷給出的齒輪箱故障診斷建議，詳細地說明了故障部件的基本信息、運行參數特征、診斷方法、故障原因、故障現象、故障發展趨勢和維修建議。

4）歷史故障查詢是對設備故障診斷結論的查詢。用戶可以通過故障的查詢，掌握故障診斷知識和機組的故障情況，增強故障診斷的能力。

2.4 設備維修模塊

設備維修是基于增速齒輪箱結構和專家診斷結論通過對機組維修而得出的維修結論。設備維修可以遏制故障的進一步發展，避免重大事故發生，對設備故障做到心中有數。

1）歷史維修輸入系統是維修人員對設備維護內容的記錄。設備維修人員通過對設備的檢查、維護，對存在的故障問題進行處理，保障設備安、穩、長、滿、優地運行。

2）歷史維修查詢系統是用戶對設備維修記錄的查詢。用戶通過對故障情況的學習和總結，可有效地掌握設備的運行規律，加強設備運行調控。

3 結語

基于網絡技術、數據庫開發技術、故障診斷理論和實驗模擬平臺，研究了風力發電機故障診斷技術，提出了分布式層次化的設計思想，開發了以時域參數分析、時域譜分析和頻譜分析為基礎的風電機增速齒輪箱的故障診斷信息系統。B/S 的結構設計，方便系統功能的維護和升級；模塊化的設計思想有利于系統功能的擴展。振動特征參數、振動圖像的雙監測和故障特征參數、故障圖譜的雙診斷，保證了故障診斷的準確性和有效性，實現了設備運行狀態的網絡化、安全化、專業化和科學化管理。該信息系統的研究與原型系統的開發，對研究大型并網機組遠程故障診斷、提高診斷信息集成度和機組運行水平，都具有較好的應用價值。