風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的故障診斷方法， 該故障診斷方法基于LMD和優(yōu)化K均值聚類算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)能作為一種可再生、無污染的新型綠色能源，已被國內(nèi)外廣泛認(rèn)為是一種具有 巨大開發(fā)和利用前景的新型能源利用方式。在目前國際上能源短缺日益嚴(yán)重的情況下， 大力發(fā)展風(fēng)電技術(shù)是解決能源短缺和環(huán)境污染問題的有效途徑和必然趨勢之一。2013 年，中國（不包括臺(tái)灣地區(qū)），新增裝機(jī)容量16088. 7麗，同比增長24. 1% ;累計(jì)裝機(jī)容量 91412. 89MW，同比增長21. 4%。新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均居世界第一。
[0003] 近年來，在風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展的同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行逐漸引起了國 內(nèi)外的高度重視。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括三種類型：雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，直驅(qū)型風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組和半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組依靠齒輪箱來實(shí)現(xiàn)增速，其生產(chǎn) 技術(shù)較成熟，該種風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前的主流機(jī)型。直驅(qū)機(jī)型是沒有齒輪箱的，它避免了由 于齒輪箱而造成的高故障率和維修成本的下降，但直驅(qū)機(jī)型也有其不可避免的缺點(diǎn)：永磁 發(fā)電機(jī)型所需的稀土資源少、直驅(qū)機(jī)組的電機(jī)重量大造成運(yùn)輸裝配十分困難等，ENERC0N公 司在漢堡的一臺(tái)6WM機(jī)型，吊裝耗時(shí)長達(dá)3個(gè)月之久。半直驅(qū)風(fēng)機(jī)結(jié)合了雙饋機(jī)型和直驅(qū) 機(jī)型的優(yōu)勢，在滿足傳動(dòng)和載荷設(shè)計(jì)的同時(shí)，結(jié)構(gòu)更為緊湊，重量輕。2011年歌美颯推出 的最新的G10X-4. 5麗風(fēng)電機(jī)，采用兩檔變速箱加永磁同步發(fā)電機(jī)；維斯塔斯推出的最新 V164-7. OMW風(fēng)電機(jī)的齒輪箱也采用3級增速改為2級增速，電機(jī)技術(shù)也采用了永磁技術(shù)； 在國內(nèi)，金風(fēng)科技3MW的風(fēng)電機(jī)也采用了半直驅(qū)技術(shù)，考慮到風(fēng)電機(jī)組大型化的趨勢，半直 驅(qū)的時(shí)代可能正在到來。因此，針對雙饋機(jī)型和半直驅(qū)機(jī)型的齒輪箱故障進(jìn)行研宄有重要 的理論指導(dǎo)價(jià)值和工程應(yīng)用意義。
[0004] 由于風(fēng)電機(jī)多位于野外，要經(jīng)受各種惡劣天氣、風(fēng)速風(fēng)向變化無常所產(chǎn)生的沖擊 載荷和工況不斷變化等因素的影響，根據(jù)1997-2005年期間四個(gè)風(fēng)場（瑞典兩個(gè)風(fēng)場、芬蘭 一個(gè)風(fēng)場和德國一個(gè)風(fēng)場）的數(shù)據(jù)，齒輪箱成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障率較高的部件之一，由 齒輪箱故障所造成的停機(jī)時(shí)間所占比例最大，約占總停機(jī)時(shí)間為32%。風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱 一旦發(fā)生故障，其拆裝、運(yùn)輸及維修費(fèi)用高達(dá)近100萬元，海上風(fēng)力機(jī)的拆裝還要?jiǎng)佑么笮?輪船和坦克吊車，甚至直升機(jī)，其維修和維護(hù)成本更高。因此，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的在 線監(jiān)測和故障診斷必須引起足夠的重視，才能進(jìn)一步減少風(fēng)電場的維護(hù)成本、增加風(fēng)電場 的效率?？梢?，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中有齒輪箱故障引起的停機(jī)時(shí)間最長，所以對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 中的齒輪箱故障進(jìn)行研宄具有重要意義。
[0005] 在中國，2012年07月11日公開的申請?zhí)枮?02564568A，名稱為"大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械復(fù) 雜工況下的早期故障搜索方法"的發(fā)明公布了一種用于能源、鋼鐵、煤炭、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的大 型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的早期故障搜索方法，此系統(tǒng)通過對振動(dòng)時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)處理、提取故障 特征因子、故障征兆匹配等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)早期故障危險(xiǎn)點(diǎn)的搜索。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多位于野 外，要經(jīng)受各種惡劣天氣、風(fēng)速風(fēng)向變化無常所產(chǎn)生的沖擊載荷和工況不斷變化等因素的 影響，采集的振動(dòng)信號含有很多的背景噪聲，因此常規(guī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障監(jiān)測方法在風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組上的應(yīng)用效果不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 基于【背景技術(shù)】中所提及的問題，本發(fā)明考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)信號的非 平穩(wěn)特征、故障程度識(shí)別與故障部位診斷等重要因素，提出了一種基于LMD(Local mean decomposition，局部均值分解）和優(yōu)化K均值聚類算法的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷方 法，具體方案如下：
[0007] 本發(fā)明的方法包括以下步驟：
[0008] 步驟1 :采用振動(dòng)加速度傳感器采集原始振動(dòng)信號，測點(diǎn)包括：齒輪箱輸入軸軸 承、齒輪箱行星齒輪側(cè)、齒輪箱中間軸側(cè)、齒輪箱高速軸軸承各自的水平和垂直位置；
[0009] 步驟2 :對采集到的原始振動(dòng)信號按時(shí)間標(biāo)簽提取η個(gè)樣本點(diǎn)，對提取到的原始振 動(dòng)信號X (t)進(jìn)行LMD方法分解，可得若干個(gè)瞬時(shí)頻率具有物理意義的PF分量，即
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷方法，其特征在于，包括w下步驟： 步驟1;通過加速度傳感器采集原始振動(dòng)信號，齒輪箱傳感器測點(diǎn)包括齒輪箱輸入軸 軸承、齒輪箱行星齒輪側(cè)、齒輪箱中間軸側(cè)和齒輪箱高速軸軸承各自的水平位置和垂直位 置； 步驟2 ;對采集到的原始振動(dòng)信號按時(shí)間標(biāo)簽提取n個(gè)樣本點(diǎn)，對提取到的原始振動(dòng)信 號X(t)進(jìn)行LMD方法分解，可得若干個(gè)瞬時(shí)頻率具有物理意義的PF分量，即
式中，X(t)-原始振動(dòng)信號時(shí)域幅值，PFi-第i個(gè)分量，r-殘余函數(shù)； 步驟3 ;依次計(jì)算n個(gè)PF分量與原始振動(dòng)信號之間的相似系數(shù)，選擇相似系數(shù)最大的PF分量用于信號重構(gòu)； 步驟4 ;對重構(gòu)信號進(jìn)行HUbed包絡(luò)解調(diào)分析，并提取故障特征量； 步驟5 ;對所有樣本進(jìn)行上述步驟1-4的故障特征量提取，并基于數(shù)據(jù)密度選擇初始聚 類中屯、； 步驟6 ;應(yīng)用優(yōu)化K均值聚類算法對所有樣本進(jìn)行分類，即可得每個(gè)樣本的故障部位和 故障程度。
【專利摘要】本發(fā)明考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)信號的非平穩(wěn)特征、故障程度識(shí)別與故障部位診斷等重要因素，提出了一種基于LMD(Local mean decomposition，局部均值分解)和優(yōu)化K均值聚類算法的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷方法，該方法首先采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱各測點(diǎn)的原始振動(dòng)加速度信號，然后采用LMD方法將原始振動(dòng)加速度信號分解為若干個(gè)PF(Product function，簡稱PF)分量，再以相關(guān)系數(shù)最大為原則選取PF分量進(jìn)行信號重構(gòu)，并對重構(gòu)后的信號進(jìn)行Hilbert包絡(luò)解調(diào)分析，以便進(jìn)一步提取故障特征量，最后應(yīng)用優(yōu)化K均值聚類算法進(jìn)行故障部位和故障程度分類。
【IPC分類】G01M13-02
【公開號】CN104792520
【申請?zhí)枴緾N201510166216
【發(fā)明人】郭艷平, 熊宇, 晏華成, 宋國翠, 張遠(yuǎn)海, 左紅英
【申請人】中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月9日