專利名稱：基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電機組領(lǐng)域，尤其是一種基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法。

背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對電力能源的需求越來越多，而對于取之不盡，用之不竭的風(fēng)力發(fā)電，更是清潔電力能源發(fā)展的重點，為了更好的實現(xiàn)電力能源供給，風(fēng)力發(fā)電機組已向著大型化、海洋化發(fā)展，而與之相適應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機組的葉片也在向大型化和受載激勵復(fù)雜化發(fā)展，為了更好的實現(xiàn)電力能源的安全供給，風(fēng)力發(fā)電機組的監(jiān)測是必不可少的環(huán)節(jié)，尤其是對風(fēng)力發(fā)電機組的葉片故障診斷，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析葉片故障主要由兩大類原因，其中一個原因為惡劣氣候引起的大風(fēng)以及環(huán)境溫度的急劇變化導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組葉片質(zhì)量偏心的故障，另外一個因素就是長期受到不同程度的振動導(dǎo)致的葉片疲勞損傷的裂紋故障等。目前的葉片損傷故障只能監(jiān)測100HZ以下的頻率變化，只有大風(fēng)引起的劇烈振動才能使監(jiān)測報警系統(tǒng)啟動，使整個風(fēng)力發(fā)電機組剎車并進行維修維護，但對于環(huán)境溫度的急劇變化以及長期受到不同程度的振動導(dǎo)致的葉片損傷故障不能實現(xiàn)有效的監(jiān)測，2008年美國一次惡劣氣候以及環(huán)境溫度的急劇變化導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組葉片超過3000萬美金的損失，原因就是強降雨和降溫導(dǎo)致葉片內(nèi)腔充滿水，且葉片排水口降溫上凍，使整個風(fēng)力發(fā)電機組上的葉片變形折損；上述示例如果能及時監(jiān)測并進行有效維護，那么在一定程度上能夠有效避免巨額損失的發(fā)生。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種診斷方法簡單易行、靈敏度以及精度較高、診斷成本較低、能夠有效提高風(fēng)力發(fā)電機組葉片安全性、可靠性的基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 一種基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法，其診斷方法的步驟為 (1)通過設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)的振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)下頻率范圍f≤1000Hz的振動響應(yīng)信號，對其振動響應(yīng)信號作功率譜；通過濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜，3≤M≤50； (2)對風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)特征值； (3)將風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)特征值與風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值進行比較得到風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障診斷結(jié)果。
而且，風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值獲取方法為 (1)通過振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀對風(fēng)力發(fā)電機組進行模態(tài)試驗分析和動力學(xué)有限元計算，獲得風(fēng)力發(fā)電機組的模態(tài)和固有頻率，從中提取風(fēng)力發(fā)電機組葉片的前M階模態(tài)和固有頻率，3≤M≤50； (2)通過設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)的振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集正常運行狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電機組頻率范圍f≤1000Hz的振動響應(yīng)信號作功率譜，通過步驟(1)中獲得的風(fēng)力發(fā)電機組葉片的前M階模態(tài)和固有頻率，采用濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜； (3)對風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值。
而且，還包括獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障狀態(tài)特征值，該故障狀態(tài)特征值獲取的方法為 (1)通過設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)的振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集故障狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電機組頻率范圍f≤1000Hz的振動響應(yīng)信號制作功率譜，通過濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜，3≤M≤50； (2)對風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障狀態(tài)特征值。
而且，故障狀態(tài)特征值為葉片末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)特征值或者葉片根部螺栓松動故障狀態(tài)特征值或者葉片裂紋和末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)特征值。
本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為 1、本葉片故障診斷方法能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機組葉片的異常運行提供診斷，通過對振動傳感器采集信號的分析處理，快速準確的診斷風(fēng)力發(fā)電機組葉片的故障，為及時剎車提供依據(jù)。
2、本葉片故障診斷方法采用的傳感器設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機組的機艙內(nèi)，可以根據(jù)實際工況設(shè)置多個傳感器，該傳感器為市場銷售的振動傳感器，成本較低。
3、本葉片故障診斷方法采用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)特征值，四種方法之間可以相互驗證，提高了整個診斷方法的可靠性。
4、本葉片故障診斷方法還包括獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障狀態(tài)特征值，通過葉片故障狀態(tài)特征值能夠精確找出風(fēng)力發(fā)電機組葉片的故障位置，縮短維修維護查找時間，提高維修維護的效率。
5、本發(fā)明診斷方法簡單易行、靈敏度以及精度較高、診斷成本較低、是一種能夠有效提高風(fēng)力發(fā)電機組葉片安全性、可靠性的基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法。



圖1為風(fēng)力發(fā)電機組葉片在正常狀態(tài)下的時域信號； 圖2為風(fēng)力發(fā)電機組葉片在葉片末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)下的時域信號； 圖3為風(fēng)力發(fā)電機組葉片在葉片根部螺栓松動故障狀態(tài)下的時域信號； 圖4為風(fēng)力發(fā)電機組葉片葉片裂紋和末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)下的時域信號； 圖5為風(fēng)力發(fā)電機組葉片在正常狀態(tài)下的功率譜； 圖6為風(fēng)力發(fā)電機組葉片在葉片末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)下的功率譜； 圖7為風(fēng)力發(fā)電機組葉片在葉片根部螺栓松動故障狀態(tài)下的功率譜； 圖8為風(fēng)力發(fā)電機組葉片葉片裂紋和末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)下的功率譜； 圖9、圖10、圖11、圖12分別為從圖5、圖6、圖7、圖8中濾波后提取對應(yīng)葉片前三階固有頻率的功率譜； 圖13為四種狀態(tài)關(guān)聯(lián)維數(shù)特征值計算結(jié)果； 圖14為四種狀態(tài)長度分形維數(shù)特征值計算結(jié)果； 圖15為四種狀態(tài)盒維數(shù)方法的特征值計算結(jié)果； 圖16為四種狀態(tài)頻率平移距離法特征值計算結(jié)果。

具體實施例方式 下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。
一種基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法，其診斷方法的步驟為 (1)通過設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)的振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)下頻率范圍f≤1000Hz的振動響應(yīng)信號，該振動傳感器型號為PCB 352C68型ICP壓電加速度傳感器，對其振動響應(yīng)信號作功率譜；通過濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜，3≤M≤50； (2)對風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)特征值； (3)將風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)特征值與風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值進行比較得到風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障診斷結(jié)果該風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值獲取方法為 ①通過振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀對風(fēng)力發(fā)電機組進行模態(tài)試驗分析和動力學(xué)有限元計算，獲得風(fēng)力發(fā)電機組的模態(tài)和固有頻率，從中提取風(fēng)力發(fā)電機組葉片的前M階模態(tài)和固有頻率，3≤M≤50； ②通過設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)的振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集正常運行狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電機組頻率范圍f≤1000Hz的振動響應(yīng)信號作功率譜，通過風(fēng)力發(fā)電機組葉片的前M階模態(tài)和固有頻率，采用濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜； ③對風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值。
本基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法，還包括獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障狀態(tài)特征值，該故障狀態(tài)特征值獲取的方法為 (1)通過設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)的振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集故障狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電機組頻率范圍f≤1000Hz的振動響應(yīng)信號制作功率譜，通過濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜； (2)對風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障狀態(tài)特征值，該故障狀態(tài)特征值為葉片末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)特征值或者葉片根部螺栓松動故障狀態(tài)特征值或者葉片裂紋和末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)特征值。
上述對正?；蛘吖收匣蛘哌\行狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電機組振動響應(yīng)信號作功率譜的方法均為 將獲取的風(fēng)力發(fā)電機組的振動響應(yīng)信號X(t)，按式(1)進行傅立葉變換，得到功率譜X(jω) 式(1) 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組葉片的前M階模態(tài)和固有頻率，截取到葉片前M階對應(yīng)的功率譜為Gx(f)；再對Gx(f)中的非葉片前M階的低頻成分濾掉，這里采用切比雪夫濾波方法 切比雪夫濾波器設(shè)計 應(yīng)用切比雪夫I型低通濾波器對Gx(f)濾波處理，將非葉片頻率對應(yīng)的成分濾掉，選切比雪夫濾波器的特征函數(shù)式為 式(2) 式(2)中，ωc為有效通帶截至頻率；N為濾波器階數(shù)；ε為波紋系數(shù)，決定通帶內(nèi)波紋起伏大小，VN(ω)定義為 又f＝ω/2π，故式(2)可寫為 式(3) 設(shè)計切比雪夫帶通濾波器的參數(shù)通帶上截止頻率為ωu；通帶下截止頻率為ωl；阻帶上截止頻率為ωs2；阻帶下截止頻率為ωs1；通帶內(nèi)最大衰減α＝3db；阻帶內(nèi)最小衰減β＝30db；模擬帶通濾波器技術(shù)指標為 式(4) 將上述濾波器的技術(shù)指標按式(4)轉(zhuǎn)換成模擬帶通濾波器技術(shù)指標如下 通帶上截止頻率 通帶下截止頻率 阻帶上截止頻率 阻帶下截止頻率 通帶中心頻率 帶寬B＝Ωu-Ωl 將以上邊界頻率對帶寬B歸一化，得到 歸一化阻帶截止頻率

歸一化通帶截止頻率λp＝1；fc＝λs/λp，ε、N由式(5)、式(6)計算 式(5) 式(6) 將fc，ε，N代入式(3)得數(shù)字帶通濾波器，切比雪夫濾波器為gx(f)如式(7)為濾波后的功率譜 gx(f)＝Gx(f)·|H(f)|2式(7) 通過濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜，3≤M≤50；分別用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)、正常狀態(tài)和故障狀態(tài)的特征值，并作為對葉片運行狀態(tài)的故障診斷特征量。
關(guān)聯(lián)維數(shù)方法、長度分形維數(shù)方法、盒維數(shù)方法、頻率平移距離方法為現(xiàn)有技術(shù)計算方法，下面對于四種方法做簡單介紹 1、關(guān)聯(lián)維數(shù)方法 對于單變量序列，根據(jù)嵌入定理和重構(gòu)相空間思想從單變量的序列中直接計算關(guān)聯(lián)維數(shù)。記為Dc，假定一組數(shù)據(jù)序列X1，X2，X3，L Xi，L，其中Xi是第i時刻測得的值。現(xiàn)在把這組數(shù)據(jù)分成不同的小組，例如，取m＝10個數(shù)據(jù)為一組，則X1，X2，X3，L X10作為第一組，記為Y1；然后右移一步，把X2，X3，X4，L X11作為第二組，記為Y2；如此劃分下去，可以得到一大批數(shù)據(jù)組Y1，Y2，Y3，LYk。實際上，這些數(shù)據(jù)組本身就是m維空間的一個矢量。現(xiàn)在將它們?nèi)我鈨烧咧g的差值的絕對值記為ri，j＝Y(jié)i-Yj，Yi和Yj分別表示第i和第j組數(shù)據(jù)。ri，j為m維超球半徑，于是得到一系列的ri，j球，用孔半徑為r的篩子來篩選這些ri，j球，顯然半徑比r小的ri，j球就漏下去，其個數(shù)記為Ndown(r)；半徑比r大的ri，j球就留在上面，其個數(shù)記為Nup(r)。ri，j球的總數(shù)目N(r)＝Ndown(r)+Nup(r)。現(xiàn)把半徑小于r的ri，j球個數(shù)與總的ri，j球個數(shù)之比記為C(r)，則有 這里C(r)是一個重要的參數(shù)。適當?shù)母淖價，使r在某區(qū)間內(nèi)，使得C(r)∝rδ，式中指數(shù)δ是關(guān)聯(lián)維數(shù)Dc的一種逼近。Dc更嚴格的定義是 式(8) 其中 式中Np為由時間序列重構(gòu)的相空間矢量個數(shù)，H為Heaviside函數(shù)，即 C(r，m)是一個關(guān)聯(lián)積分，表示相空間中吸引子上兩點之間距離小于r的概率。
2、長度分形維數(shù)方法 設(shè)一非線性動力系統(tǒng)振動波形采樣A＝{a|a＝(xi，yi)，i＝1，2，……N}，其中xi為時間采樣點，yi為相應(yīng)的振動幅值，N為樣本點數(shù)。將集合A按式(9)、(10)進行拓撲映射，則A→M，M＝{b |b＝(xi*，yi*)，i＝1，2，……N}，為一單位平面的子集。
式(9) 式(10) 式(5-2)中，VI＝{y1，y2……，yi}，i＝1，2……N 線性變換不改變集合的拓撲結(jié)構(gòu)，因此A、M維數(shù)相等。
在集合M中，設(shè)振動波形長度為L，超立方體邊長為ε，則覆蓋單元數(shù)為L/ε，取ε＝1/N*，N*＝N-1。在包覆或量度振動波形時，單元用具有一維長度單位的超立方體；對于有限樣本點的非線性動力系統(tǒng)振動波形，長度分形維數(shù)為 式(11) 3、盒維數(shù)方法 設(shè)一離散動力系統(tǒng)振動信號采樣點集

若它可以由N(ε)個邊長為ε的Ω維超立方體覆蓋，定義 式(12) 并稱其為采樣點集Ω的盒維數(shù)或容量維數(shù)。信號的分形盒維數(shù)在區(qū)間(1，2)內(nèi)，信號越不規(guī)則，分形盒維數(shù)越大。因此，通過盒維數(shù)的大小可以判斷信號的規(guī)整度。
4、頻率平移距離方法 對任一i狀態(tài)信號的功率譜G(f)。用相關(guān)系數(shù)RBi(l)表征標準譜BG(f)與功率譜G(f)的相似度， (i＝1，2...50)式(13) 式(10)中，RBi(l)為功率譜G(f)與標準譜BG(f)的規(guī)范相關(guān)系數(shù)，它表征了G(f)，BG(f)的相似性，<G(f+l)，BG(f)>表示G(f)和BG(f)的內(nèi)積，||G(f)||2和||BG(f)||2則表示G(f)和BG(f)的2范數(shù)。
本基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法，可以首先獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值以及風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障狀態(tài)特征值，再通過獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)特征值與風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值以及風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障狀態(tài)特征值進行比較，得到診斷結(jié)果為故障狀態(tài)時，可以比對故障狀態(tài)特征值找出葉片故障位置，判斷準確、精度高。
下面以300W風(fēng)力發(fā)電機組為研究對象，機組運行狀態(tài)測試時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為100r/min，采樣頻率為500Hz。試驗設(shè)置了四種狀態(tài)，它們分別為a為風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常運轉(zhuǎn)；b為葉片末端加偏心質(zhì)量塊；c為葉片根部螺栓松動；d為耦合故障葉片裂紋和末端加偏心質(zhì)量塊，距葉片根部2/3處有2cm長裂紋和葉片末端加偏心質(zhì)量塊。對各種狀態(tài)各測取50段時域信號；圖1、圖2、圖3、圖4為風(fēng)力發(fā)電機組葉片四種狀態(tài)下的時域信號；圖5、圖6、圖7、圖8為對應(yīng)葉片四種狀態(tài)下的功率譜。采用切比雪夫濾波方法，從圖5、圖6、圖7、圖8葉片四種狀態(tài)中提取對應(yīng)葉片前三階固有頻率的功率譜，如圖9、圖10、圖11、圖12所示。
葉片四種狀態(tài)的特征值分別用關(guān)聯(lián)維數(shù)方法、長度分形維數(shù)方法、盒維數(shù)方法、頻率平移距離方法計算，并可以互相驗證 (1)關(guān)聯(lián)維數(shù)特征值計算 對圖5、圖6、圖7、圖8的功率譜信號，取對應(yīng)的延遲因子τ＝5、嵌入維數(shù)m＝25；用關(guān)聯(lián)維數(shù)原理和計算方法，計算四種狀態(tài)的關(guān)聯(lián)維數(shù)，計算結(jié)果見圖13，風(fēng)力發(fā)電機組葉片四種狀態(tài)下功率譜信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)穩(wěn)定在0.02誤差范圍內(nèi)a為風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)下關(guān)聯(lián)維數(shù)為4.4523±0.02；b為葉片末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)下關(guān)聯(lián)維數(shù)為3.7652±0.02；c為葉片根部螺栓松動故障狀態(tài)下關(guān)聯(lián)維數(shù)為3.4572±0.01；d為葉片裂紋和末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)下關(guān)聯(lián)維數(shù)為1.0252±0.005；各狀態(tài)下的關(guān)聯(lián)維數(shù)差別顯著?？勺R別出風(fēng)力發(fā)電機組葉片各運行狀態(tài)。
(2)長度分形維特征值計算 對圖5、圖6、圖7、圖8的功率譜信號運用長度分形維原理和計算方法，對風(fēng)力發(fā)電機組葉片的四種狀態(tài)進行計算，計算結(jié)果見圖14，a為風(fēng)力發(fā)電機葉片正常狀態(tài)下運轉(zhuǎn)時長度分形維數(shù)為1.0710±0.01；b為葉片末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)下長度分形維數(shù)為1.1481±0.03；c為葉片根部螺栓松動故障狀態(tài)下長度分形維數(shù)為1.2215±0.01；d為葉片裂紋和末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)下長度分形維數(shù)為1.0031±0.003，各狀態(tài)的長度分形維數(shù)在分形意義下有明顯的區(qū)別，用其可識別出風(fēng)力發(fā)電機組葉片各運行狀態(tài)。
(3)盒維數(shù)方法的特征值計算 對圖5、圖6、圖7、圖8的功率譜信號運用上述盒維原理和計算方法，對風(fēng)力發(fā)電機組葉片的四種狀態(tài)進行計算，計算結(jié)果見圖15，a為風(fēng)力發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)時盒維數(shù)為1.4153±0.005；b為葉片末端加偏心質(zhì)量塊時盒維數(shù)為1.3142±0.01；c為葉片根部螺栓松動時盒維數(shù)為1.3793±0.01；d為耦合故障時盒維數(shù)為1.4651±0.005，且d狀態(tài)盒維數(shù)＞a狀態(tài)盒維數(shù)＞c狀態(tài)盒維數(shù)＞b狀態(tài)盒維數(shù)。狀態(tài)的盒維數(shù)在分形意義下有明顯的區(qū)別，用其可識別出風(fēng)力發(fā)電機組葉片各運行狀態(tài)。
(4)頻率平移距離法特征值計算 對圖5、圖6、圖7、圖8的功率譜信號運用頻率平移距離法，對風(fēng)力發(fā)電機組葉片的四種狀態(tài)進行計算，計算結(jié)果見圖16，a風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)的頻率平移距離為±0.3；b葉片末端加偏心質(zhì)量塊時頻率平移距離為-2.0±0.3；c葉片根部螺栓松動時頻率平移距離為-4.3±0.4；d耦合故障時頻率平移距離為8.5±0.9。各狀態(tài)下的頻率平移距離區(qū)別顯著，用其可識別出風(fēng)力發(fā)電機組葉片各運行狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法，其特征在于該診斷方法的步驟為
(1)通過設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)的振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)下頻率范圍f≤1000Hz的振動響應(yīng)信號，對其振動響應(yīng)信號作功率譜；通過濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜，3≤M≤50；
(2)對風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)特征值；
(3)將風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)特征值與風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值進行比較得到風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障診斷結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法，其特征在于風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值獲取方法為
(1)通過振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀對風(fēng)力發(fā)電機組進行模態(tài)試驗分析和動力學(xué)有限元計算，獲得風(fēng)力發(fā)電機組的模態(tài)和固有頻率，從中提取風(fēng)力發(fā)電機組葉片的前M階模態(tài)和固有頻率，3≤M≤50；
(2)通過設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)的振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集正常運行狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電機組頻率范圍f≤1000Hz的振動響應(yīng)信號作功率譜，通過步驟(1)中獲得的風(fēng)力發(fā)電機組葉片的前M階模態(tài)和固有頻率，采用濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜；
(3)對風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法，其特征在于得到風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障診斷結(jié)果后，還包括獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障狀態(tài)特征值，該故障狀態(tài)特征值獲取的方法為
(1)通過設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)的振動傳感器和數(shù)據(jù)采集儀采集故障狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電機組頻率范圍f≤1000Hz的振動響應(yīng)信號制作功率譜，通過濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜，3≤M≤50；
(2)對風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障狀態(tài)特征值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法，其特征在于風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障狀態(tài)特征值為葉片末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)特征值或者葉片根部螺栓松動故障狀態(tài)特征值或者葉片裂紋和末端加偏心質(zhì)量塊故障狀態(tài)特征值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法，其步驟為(1)對風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)下頻率范圍f≤1000Hz的振動響應(yīng)信號作功率譜；通過濾波方法從風(fēng)力發(fā)電機組的功率譜中提取對應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜；(2)對風(fēng)力發(fā)電機組葉片前M階低頻功率譜用關(guān)聯(lián)維數(shù)或者長度分形維數(shù)或者盒維數(shù)或者頻率平移距離法獲取風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)特征值；(3)將風(fēng)力發(fā)電機組葉片運行狀態(tài)特征值與風(fēng)力發(fā)電機組葉片正常狀態(tài)特征值進行比較得到風(fēng)力發(fā)電機組葉片故障診斷結(jié)果。本發(fā)明診斷方法簡單易行、靈敏度以及精度較高、診斷成本較低、是一種能夠有效提高風(fēng)力發(fā)電機組葉片安全性、可靠性的基于風(fēng)力發(fā)電機組振動的葉片故障診斷方法。
文檔編號G01M99/00GK101782475SQ201019102030
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月8日
發(fā)明者徐玉秀, 邢鋼, 王志強, 張旭, 劉薇 申請人:天津工業(yè)大學(xué)