一種風(fēng)電機(jī)組齒輪箱遠(yuǎn)程在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估方法
【專(zhuān)利摘要】一種風(fēng)電機(jī)組齒輪箱遠(yuǎn)程在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估方法，它有七大步驟：一、遠(yuǎn)程中心計(jì)算機(jī)通過(guò)SCADA實(shí)時(shí)采集各風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、溫度數(shù)據(jù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)；二、通過(guò)對(duì)信號(hào)時(shí)域和頻域的特征值進(jìn)行分析，診斷振動(dòng)傳感器是否存在故障；三、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，降低數(shù)據(jù)之間的差異，提高診斷精度；四、在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障進(jìn)行診斷時(shí)，針對(duì)不同算法采用不同的濾波方式提取相應(yīng)的特征；五、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提?。涣?、故障診斷將給出故障有無(wú)以及故障的程度；七、通過(guò)灰色理論模型估計(jì)故障齒輪箱的殘余壽命，對(duì)其預(yù)測(cè)結(jié)果的殘差建立自回歸模型，來(lái)提高預(yù)測(cè)精度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了殘余壽命的實(shí)時(shí)估計(jì)，給風(fēng)電機(jī)組的計(jì)劃維護(hù)提供了依據(jù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種風(fēng)電機(jī)組齒輪箱遠(yuǎn)程在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種風(fēng)電機(jī)組齒輪箱遠(yuǎn)程在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估方法，屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估【技術(shù)領(lǐng)域】。具體涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障程度評(píng)估及殘余壽命預(yù)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，以便更好的提高風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)效率，減小相應(yīng)的維護(hù)費(fèi)用。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的驅(qū)動(dòng)和負(fù)載不穩(wěn)定導(dǎo)致傳統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)方法診斷的誤差大。如果故障不能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理，會(huì)造成很大的事故，損失巨大；齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)不能正確評(píng)估，會(huì)造成過(guò)早維護(hù)或事后維護(hù)，對(duì)風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)造成巨大的影響。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和壽命評(píng)估對(duì)提高齒輪箱的可靠性，降低維護(hù)費(fèi)用，具有重要的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
[0003]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱由傳動(dòng)軸、軸承和輪齒等部件組成。這些部件的故障是由于固有缺陷、潤(rùn)滑不好或者過(guò)載引起，并且能夠通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)以及相應(yīng)部件的振動(dòng)和溫度等工況參數(shù)反映出來(lái)。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)評(píng)估主要集中在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障的定性分析，能夠識(shí)別出設(shè)備的故障以及故障的類(lèi)型和位置，缺少對(duì)故障的定量評(píng)價(jià)和運(yùn)行工況下殘余壽命評(píng)估。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明旨在提供一種風(fēng)電機(jī)組齒輪箱遠(yuǎn)程在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)齒輪箱的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷，提取歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的故障因子，進(jìn)而對(duì)齒輪箱的殘余壽命進(jìn)行實(shí)時(shí)的估計(jì)和修正。它克服了以往基于歷史數(shù)據(jù)的模型估計(jì)不能及時(shí)修正計(jì)算結(jié)果的特點(diǎn)，是一種更準(zhǔn)確的壽命評(píng)估方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0006]本發(fā)明公開(kāi)的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估方法，其特征在于:遠(yuǎn)程中心計(jì)算機(jī)通過(guò)SCADA采集各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、溫度數(shù)據(jù)以及齒輪箱上的振動(dòng)數(shù)據(jù)。通過(guò)相應(yīng)的算法實(shí)時(shí)分析，給出故障的分析報(bào)告及其可靠性。遠(yuǎn)程中心計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下:
[0007](1)將采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判斷，將傳感器故障的數(shù)據(jù)剔除。然后將其和實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、溫度數(shù)據(jù)等一起存儲(chǔ)到狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。
[0008](2)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理后才能進(jìn)行故障分析。預(yù)處理主要采用歸一化的方法，進(jìn)而降低采集設(shè)備不同而造成不同采集點(diǎn)或不同風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)之間的差異，同時(shí)將數(shù)據(jù)限制到故障分析所需要的輸入數(shù)據(jù)范圍。
[0009](3)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷齒輪箱是否存在故障。故障分析包括數(shù)據(jù)的濾波、特征值提取和故障判斷。數(shù)據(jù)濾波主要是提出數(shù)據(jù)中的干擾成分。特征值提取是提取信號(hào)的有效成分，形成故障診斷的特征向量。根據(jù)特征向量來(lái)進(jìn)行故障診斷，給出故障的分析報(bào)告以及故障因子的數(shù)值。然后通過(guò)對(duì)故障報(bào)告和故障因子來(lái)進(jìn)行部件的殘余壽命分析。
[0010](4)殘余壽命預(yù)測(cè)是根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)診斷報(bào)告以及歷史診斷報(bào)告進(jìn)行的趨勢(shì)分析，進(jìn)而判斷該故障發(fā)展的趨勢(shì)和可靠性運(yùn)行的壽命，以便安排合理的維護(hù)。
[0011]綜上所述，見(jiàn)圖1，本發(fā)明一種風(fēng)電機(jī)組齒輪箱遠(yuǎn)程在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估方法，該方法具體步驟如下:
[0012]步驟一:遠(yuǎn)程中心計(jì)算機(jī)通過(guò)SCADA實(shí)時(shí)采集各風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、溫度數(shù)據(jù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)包括:風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、有功功率和無(wú)功功率。溫度數(shù)據(jù)包括齒輪箱油溫、散熱片溫度、機(jī)艙溫度、齒輪箱軸承溫度以及發(fā)電機(jī)的前后軸承溫度。振動(dòng)數(shù)據(jù)主要包括齒輪箱輸入軸的振動(dòng)、行星輪的振動(dòng)、齒輪箱低速軸的振動(dòng)、齒輪箱高速軸的振動(dòng)等。數(shù)據(jù)得到后需要對(duì)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效性判斷。
[0013]步驟二:對(duì)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷是為了剔除振動(dòng)傳感器故障時(shí)采集的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)信號(hào)時(shí)域和頻域的特征值進(jìn)行分析，診斷振動(dòng)傳感器是否存在故障。當(dāng)診斷出傳感器存在故障時(shí)，將該數(shù)據(jù)剔除，減小錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行齒輪箱故障的診斷精度影響。
[0014]步驟三:對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，降低數(shù)據(jù)之間的差異，提高診斷精度。采用的歸一化處理的方法有幅值歸一化、統(tǒng)計(jì)歸一化、能量歸一化以及基頻歸一化。在采用不同的故障診斷方法是需要采用不同的歸一化方法。
[0015]步驟四:在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障進(jìn)行診斷時(shí)，針對(duì)不同算法采用不同的濾波方式，然后提取相應(yīng)的特征。應(yīng)用小波濾波的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟閾值降噪，減小白噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的干擾。采用梳狀濾波器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提取得到相應(yīng)頻率范圍內(nèi)容數(shù)據(jù)。
[0016]步驟五:對(duì)采集 的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。振動(dòng)數(shù)據(jù)的特征包括時(shí)域特征、頻域特征以及其他算法提取的特征向量。溫度數(shù)據(jù)的特征包括變化率、幅值等。然后根據(jù)提取的數(shù)據(jù)特征對(duì)齒輪箱進(jìn)行故障診斷。
[0017]步驟六:故障診斷將給出故障有無(wú)以及故障的程度。故障診斷采用的方法包括:基于模型的方式，通過(guò)風(fēng)機(jī)參數(shù)以及特征向量計(jì)算正常情況下某個(gè)特征值的理論數(shù)值，然后通過(guò)測(cè)量值與理論值比較進(jìn)行故障診斷。當(dāng)判斷齒輪箱存在故障時(shí)，提取幅值、有效值、峭度、峰峰值、波形指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、轉(zhuǎn)頻、1/3倍頻、1/2倍頻、2倍頻、3倍頻等故障因子。
[0018]步驟七:殘余壽命預(yù)估是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的診斷結(jié)果和故障因子，通過(guò)灰色理論模型估計(jì)故障齒輪箱的殘余壽命，對(duì)其預(yù)測(cè)結(jié)果的殘差建立自回歸模型，來(lái)提高預(yù)測(cè)精度。系統(tǒng)默認(rèn)采用有效值作為狀態(tài)參量進(jìn)行殘余壽命預(yù)測(cè)，可以通過(guò)設(shè)置相應(yīng)參數(shù)來(lái)改變狀態(tài)參量。殘余壽命預(yù)測(cè)步驟框圖如圖2所示。
[0019]灰色建模的步驟如圖3所示。設(shè)預(yù)測(cè)的原始序列為x(0) (k)，k=l, 2，...，N。N是原始序列的個(gè)數(shù)?；疑墒菍?duì)該序列作累加生成，一次正向累加生成序列(1-AG0) χω (k)，k=l, 2，...，N。
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)電機(jī)組齒輪箱遠(yuǎn)程在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及壽命評(píng)估方法，其特征在于:該方法具體步驟如下:步驟一:遠(yuǎn)程中心計(jì)算機(jī)通過(guò)SCADA實(shí)時(shí)采集各風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、溫度數(shù)據(jù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)包括:風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、有功功率和無(wú)功功率；溫度數(shù)據(jù)包括齒輪箱油溫、散熱片溫度、機(jī)艙溫度、齒輪箱軸承溫度以及發(fā)電機(jī)的前后軸承溫度；振動(dòng)數(shù)據(jù)包括齒輪箱輸入軸的振動(dòng)、行星輪的振動(dòng)、齒輪箱低速軸的振動(dòng)和齒輪箱高速軸的振動(dòng)；數(shù)據(jù)得到后需要對(duì)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效性判斷； 步驟二:對(duì)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷是為了剔除振動(dòng)傳感器故障時(shí)采集的數(shù)據(jù)；通過(guò)對(duì)信號(hào)時(shí)域和頻域的特征值進(jìn)行分析，診斷振動(dòng)傳感器是否存在故障；當(dāng)診斷出傳感器存在故障時(shí)，將該數(shù)據(jù)剔除，減小錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行齒輪箱故障的診斷精度影響；步驟三:對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，降低數(shù)據(jù)之間的差異，提高診斷精度；采用的歸一化處理的方法有幅值歸一化、統(tǒng)計(jì)歸一化、能量歸一化以及基頻歸一化；在采用不同的故障診斷方法是需要采用不同的歸一化方法；步驟四:在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障進(jìn)行診斷時(shí)，針對(duì)不同算法采用不同的濾波方式，然后提取相應(yīng)的特征；應(yīng)用小波濾波的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟閾值降噪，減小白噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的干擾，采用梳狀濾波器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提取得到相應(yīng)頻率范圍內(nèi)容數(shù)據(jù)；步驟五:對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取；振動(dòng)數(shù)據(jù)的特征包括時(shí)域特征、頻域特征以及其他算法提取的特征向量；溫度數(shù)據(jù)的特征包括變化率、幅值，然后根據(jù)提取的數(shù)據(jù)特征對(duì)齒輪箱進(jìn)行故障診斷；步驟六:故障診斷將給出故障有無(wú)以及故障的程度；故障診斷采用的方法包括:基于模型的方式，通過(guò)風(fēng)機(jī)參數(shù)以及特征向量計(jì)算正常情況下某個(gè)特征值的理論數(shù)值，然后通過(guò)測(cè)量值與理論值比較進(jìn)行故障診斷；當(dāng)判斷齒輪箱存在故障時(shí)，提取幅值、有效值、峭度、峰峰值、波形指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、轉(zhuǎn)頻、1/3倍頻、1/2倍頻、2倍頻、3倍頻故障因子；步驟七:殘余壽命預(yù)估是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的診斷結(jié)果和故障因子，通過(guò)灰色理論模型估計(jì)故障齒輪箱的殘余壽命，對(duì)其預(yù)測(cè)結(jié)果的殘差建立自回歸模型，來(lái)提高預(yù)測(cè)精度；系統(tǒng)默認(rèn)采用有效值作為狀態(tài)參量進(jìn)行殘余壽命預(yù)測(cè)，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)參數(shù)來(lái)改變狀態(tài)參量；設(shè)預(yù)測(cè)的原始序列為x(°) (k)，k=l, 2，…，N ；N是原始序列的個(gè)數(shù)，灰色生成是對(duì)該序列作累加生成，一次正向累加生成序列(1-AGO) x(1) (k)，k=l, 2，…，N ;
【文檔編號(hào)】G01M13/02GK103645052SQ201310671317
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】錢(qián)政, 田雙蜀, 申?duì)T, 周繼威, 王棟, 張波, 李闖, 張 林 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué), 中能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司