一种风机偏航轴承监测预警装置及方法与流程

1.本发明涉及故障监测领域，特别是涉及一种风机偏航轴承监测预警装置及方法。


背景技术：

2.风力发电是一种清洁能源，近年来装机容量快速增长。偏航轴承是风力发电机组关键传动部件之一，是风机追踪风向，调整迎风面的保证，偏航轴承性能与工况的好坏直接影响偏航系统甚至整个设备的性能。通过对偏航轴承失效的原因进行预警，提出延长使用寿命的有效措施，保障偏航轴承全寿命周期的安全可靠运行。
3.现有的传动链轴承振动监测系统直接用于对偏航轴承的预警，该技术存在如下不足之处：
4.1、低频故障信号覆盖不全；
5.2、采用短时信号分析方法，分析效果差；
6.3、无法区分驱动电机的传导故障。


技术实现要素：

7.本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种采用超低频压电式加速度传感器采集低频故障信号、采用效果更好的短时时频分析方法以及对驱动电机进行电信号采集从而实现综合判定的风机偏航轴承监测预警装置及方法。
8.一方面，本发明提出一种风机偏航轴承监测预警装置，包括超低频压电式加速度传感器、转速传感器、振动及电量数据采集装置和交换机；
9.超低频压电式加速度传感器安装于偏航轴承相对于机舱静止的一圈上；
10.转速传感器安装于偏航齿轮附近，转速传感器用于测量偏航齿轮的转速；
11.振动及电量数据采集装置安装于机舱控制柜中，振动及电量数据采集装置用于采集超低频压电式加速度传感器信号、转速传感器信号以及驱动电机的电压和电流信号；
12.交换机安装于机舱，交换机用于将振动及电量数据采集装置采集的数据同步至升压站服务器。
13.另一方面，本发明提出一种上述风机偏航轴承监测预警装置的监测预警方法，该方法包括如下步骤：
14.s1、对高频振动数据进行采样，分析偏航轴承的故障；
15.s2、通过转速数据对采集到的振动数据进行处理，数据同步采集；
16.s3、通过采集偏航电机的电压和电流数据进行辅助判断，数据同步采集；
17.s4、确认偏航轴承的运行状态。
18.优选的，通过转速信号剔除偏航轴承静止时的数据，该时段的振动数据不用于数据分析；通过识别偏航电机的转速，将有效的振动数据提取处理出来，即当偏航转速≥偏航电机额定转速时，振动数据标记为有效，其他数据标记为无效。
19.优选的，偏航轴承采用滚动轴承，滚动轴承振动的主要频率成分为滚动轴承的特
征频率；
20.特征频率根据轴承结构参数计算：
21.旋转频率：fi＝n/60；
22.保持架旋转频率：
23.滚珠旋转频率：
24.滚珠内环通过频率：
25.滚珠外环通过频率：
26.其中，d为滚珠直径，a为接触角，z为滚珠数量，n为轴的转速，转速单位为r/min，d为轴承节径。
27.优选的，时频分析步骤如下：
28.a1、对有效数据进行时频分析，提取异常频率；
29.a2、通过已知轴承参数及转速情况，计算故障特征频率值；
30.a3、比对异常频率是否属于故障特征频率，误差允许范围：0.9*故障特征频率值～1.1*故障特征频率值；
31.a4、若异常频率属于故障特征频率，则输出预警信号；判不属于，则为正常。
32.优选的，偏航电机的电压和电流数据辅助判断步骤如下：
33.b1、获取偏航电机电压和电流数据，按时间标签排列；
34.b2、提取时频分析中异常频率判定为预警的波形时间标签；
35.b3、计算同一时刻偏航电机的功率值；
36.b4、将该时刻的功率值与1.08倍的额定功率进行比较，超过即为报警，小于等于则为持续监视。
37.与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
38.本发明同时提供故障特征频率与功率限值对偏航电机轴承故障进行自诊断。在理想状态下，轴承负载的输出是恒定的；在轴承出现异常后，其故障特征与功率超限是同步出现的。本发明采用超低频压电式加速度传感器采集低频故障信号，采用效果更好的短时时频分析方法，以及对驱动电机进行电信号采集从而实现综合判定。
附图说明
39.图1为本发明的系统结构框图；
40.图2为本发明对振动数据进行有效和无效分类的流程图；
41.图3为本发明进行短时时频分析的流程图；
42.图4为本发明通过偏航电机电压和电流数据进行辅助判断的流程图。
具体实施方式
43.如图1-图4所示，本实施例提出的一种风机偏航轴承监测预警装置，包括超低频压电式加速度传感器、转速传感器、振动及电量数据采集装置和交换机。
44.超低频压电式加速度传感器安装于偏航轴承相对于机舱静止的一圈上。
45.转速传感器安装于偏航齿轮附近，转速传感器用于测量偏航齿轮的转速。
46.振动及电量数据采集装置安装于机舱控制柜中，振动及电量数据采集装置用于采集超低频压电式加速度传感器信号、转速传感器信号以及驱动电机的电压和电流信号。
47.交换机安装于机舱，交换机用于将振动及电量数据采集装置采集的数据同步至升压站服务器。
48.上述风机偏航轴承监测预警装置的运行步骤如下：
49.s1、对高频振动数据进行采样，分析偏航轴承的故障；
50.s2、通过转速数据对采集到的振动数据进行处理，数据同步采集；
51.s3、通过采集偏航电机的电压和电流数据进行辅助判断，数据同步采集；
52.s4、确认偏航轴承的运行状态。
53.该监测预警装置为在线监测设备，数据为持续采集状态。由于偏航电机的启停受风向变化触发，随机性较大，在风向不变的情况，偏航电机处于静止状态。如图2所示，依据转速信号可以剔除偏航轴承静止时的数据，该时段的振动数据不能用于数据分析；通过识别偏航电机的转速，可将有效的振动数据提取处理出来，即当偏航转速≥偏航电机额定转速时，振动数据标记为有效，其他数据标记为无效。
54.偏航轴承采用滚动轴承，滚动轴承的振动是由各部分的结构、工作状态和轴承座传递的外界激励信号有关，其主要频率成分为滚动轴承的特征频率；
55.特征频率根据轴承结构参数计算：
56.旋转频率：fi＝n/60；
57.保持架旋转频率：
58.滚珠旋转频率：
59.滚珠内环通过频率：
60.滚珠外环通过频率：
61.其中，d为滚珠直径，a为接触角，z为滚珠数量，n为轴的转速，转速单位为r/min，d为轴承节径。
62.对于偏航轴承的故障诊断，需要知道各个成分出现的时间，知道信号频率随时间变化的情况，各个时刻的瞬时频率及其幅值，这就是时频分析，既要考虑到频率特征，又要考虑到时间序列变化。常用的有两种方法：短时傅里叶变化和小波变换。
63.短时傅里叶变换的思路非常直观，既然对整个序列做fft会丢失时间信息，则需要一段一段地做fft，这也正是短时傅里叶变换名称的来源，short time fourier transorm，
这里的short time就是指对一小段序列做fft。
64.时频分析是处理非平稳信号的一类重要方法，它将非平稳信号表示为时间和频率的二维函数，能更加直观地对其进行分析和处理。
65.时频分析顾名思义，时频分析既包含时域，又包含了频域的信息，其方法是通过对脑电数据进行加窗处理，并假设在该时间窗内数据是稳态的，从而进行傅里叶变换，提取该时间窗内的频域信息。将窗口沿着时间轴向前滑动，并对每个时间窗内的数据进行同样的处理，这样就能得到随时间变化的频率的信息，所得到的结果就是时频图。其横轴代表的是时间，纵轴代表的是频率，每个时间-频率所对应的点代表的就是power值。
66.窗口的大小会影响到时间精度和频率精度。窗口越大，时间精度越低，频率精度越高，适合分析低频慢波，窗口越小，时间精度越高，频率精度越低，适合分析高频快波。时间窗可以是固定大小，也可以具有自适应性。如短时傅里叶变换的时间窗就是大小固定的，而小波变换的时间窗则可以随着频率变化而伸缩，使用更灵活。
67.如图3所示，对偏航轴承进行的时频分析步骤如下：
68.a1、对有效数据进行时频分析，提取异常频率；
69.a2、通过已知轴承参数及转速情况，计算故障特征频率值；
70.a3、比对异常频率是否属于故障特征频率，误差允许范围：0.9*故障特征频率值～1.1*故障特征频率值；
71.a4、若异常频率属于故障特征频率，则输出预警信号；判不属于，则为正常。
72.如图4所示，偏航电机的电压和电流数据辅助判断步骤如下：
73.b1、获取偏航电机电压和电流数据，按时间标签排列；
74.b2、提取时频分析中异常频率判定为预警的波形时间标签；
75.b3、计算同一时刻偏航电机的功率值；
76.b4、将该时刻的功率值与1.08倍的额定功率进行比较，超过即为报警，小于等于则为持续监视。
77.本发明同时提供故障特征频率与功率限值对偏航电机轴承故障进行自诊断。在理想状态下，轴承负载的输出是恒定的；在轴承出现异常后，其故障特征与功率超限是同步出现的。本发明采用超低频压电式加速度传感器采集低频故障信号，采用效果更好的短时时频分析方法，以及对驱动电机进行电信号采集从而实现综合判定。
78.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

技术特征：
1.一种风机偏航轴承监测预警装置，其特征在于，包括：超低频压电式加速度传感器，其安装于偏航轴承相对于机舱静止的一圈上；转速传感器，其安装于偏航齿轮附近，用于测量偏航齿轮的转速；振动及电量数据采集装置，其安装于机舱控制柜中，用于采集超低频压电式加速度传感器信号、转速传感器信号以及驱动电机的电压和电流信号；交换机，其安装于机舱，用于将振动及电量数据采集装置采集的数据同步至升压站服务器。2.一种根据权利要求1所述的风机偏航轴承监测预警装置的监测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、对高频振动数据进行采样，分析偏航轴承的故障；s2、通过转速数据对采集到的振动数据进行处理，数据同步采集；s3、通过采集偏航电机的电压和电流数据进行辅助判断，数据同步采集；s4、确认偏航轴承的运行状态。3.根据权利要求2所述的一种风机偏航轴承监测预警方法，其特征在于，通过转速信号剔除偏航轴承静止时的数据，该时段的振动数据不用于数据分析；通过识别偏航电机的转速，将有效的振动数据提取处理出来，即当偏航转速≥偏航电机额定转速时，振动数据标记为有效，其他数据标记为无效。4.根据权利要求3所述的一种风机偏航轴承监测预警方法，其特征在于，偏航轴承采用滚动轴承，滚动轴承振动的主要频率成分为滚动轴承的特征频率；特征频率根据轴承结构参数计算：旋转频率：f
i
＝n/60；保持架旋转频率：滚珠旋转频率：滚珠内环通过频率：滚珠外环通过频率：其中，d为滚珠直径，a为接触角，z为滚珠数量，n为轴的转速，转速单位为r/min，d为轴承节径。5.根据权利要求4所述的一种风机偏航轴承监测预警方法，其特征在于，时频分析步骤如下：a1、对有效数据进行时频分析，提取异常频率；a2、通过已知轴承参数及转速情况，计算故障特征频率值；a3、比对异常频率是否属于故障特征频率，误差允许范围：0.9*故障特征频率值～1.1*故障特征频率值；a4、若异常频率属于故障特征频率，则输出预警信号；判不属于，则为正常。
6.根据权利要求5所述的一种风机偏航轴承监测预警方法，其特征在于，偏航电机的电压和电流数据辅助判断步骤如下：b1、获取偏航电机电压和电流数据，按时间标签排列；b2、提取时频分析中异常频率判定为预警的波形时间标签；b3、计算同一时刻偏航电机的功率值；b4、将该时刻的功率值与1.08倍的额定功率进行比较，超过即为报警，小于等于则为持续监视。

技术总结
本发明涉及故障监测领域，具体为一种风机偏航轴承监测预警装置及方法。其包括超低频压电式加速度传感器、转速传感器、振动及电量数据采集装置和交换机；超低频压电式加速度传感器安装于偏航轴承相对于机舱静止的一圈上；转速传感器安装于偏航齿轮附近，转速传感器用于测量偏航齿轮的转速；振动及电量数据采集装置用于采集超低频压电式加速度传感器信号、转速传感器信号以及驱动电机的电压和电流信号；交换机用于将振动及电量数据采集装置采集的数据同步至升压站服务器。本发明采用超低频压电式加速度传感器采集低频故障信号、采用效果更好的短时时频分析方法以及对驱动电机进行电信号采集从而实现综合判定。信号采集从而实现综合判定。信号采集从而实现综合判定。


技术研发人员：吴仕明 张云峰 任锦胜 严则峰
受保护的技术使用者：北京英华达电力电子工程科技有限公司
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/21