發(fā)布時(shí)間：2021-05-14所屬分類(lèi)：工程師職稱(chēng)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：風(fēng)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且運(yùn)行環(huán)境惡劣，是風(fēng)電機(jī)組中故障率最高的部件，其性能直接影響風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性和安全性，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡。為此，基于靜電監(jiān)測(cè)原理，采用多個(gè)靜電傳感器對(duì)風(fēng)電齒輪箱摩擦磨損產(chǎn)生的二次效應(yīng)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè);
摘要：風(fēng)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且運(yùn)行環(huán)境惡劣，是風(fēng)電機(jī)組中故障率最高的部件，其性能直接影響風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性和安全性，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡。為此，基于靜電監(jiān)測(cè)原理，采用多個(gè)靜電傳感器對(duì)風(fēng)電齒輪箱摩擦磨損產(chǎn)生的二次效應(yīng)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè);基于提取到的時(shí)域特征參數(shù)和復(fù)雜度度量參數(shù)，運(yùn)用移動(dòng)窗局部離群因子(movingwindowlocaloutlierfactor，MWLOF)算法分別對(duì)負(fù)荷試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)中風(fēng)電齒輪箱磨損狀態(tài)的靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在負(fù)荷試驗(yàn)中，靜電監(jiān)測(cè)方法在部分故障發(fā)生前已提前監(jiān)測(cè)到風(fēng)電齒輪箱早期的性能退化;在破壞試驗(yàn)中，靜電監(jiān)測(cè)方法比振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法提前200~1000個(gè)樣本點(diǎn)監(jiān)測(cè)到風(fēng)電齒輪箱的故障。研究表明，靜電監(jiān)測(cè)方法作為一種新型的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠有效提高對(duì)風(fēng)電齒輪箱磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)能力，可對(duì)其早期故障的產(chǎn)生作出較準(zhǔn)確的預(yù)警，這可為針對(duì)大型設(shè)備關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供參考。
關(guān)鍵詞：風(fēng)電齒輪箱;摩擦磨損;靜電監(jiān)測(cè);移動(dòng)窗局部離群因子算法
風(fēng)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運(yùn)行過(guò)程中其不同結(jié)構(gòu)之間存在較大差異，且在惡劣環(huán)境中持續(xù)工作時(shí)，其性能不斷退化。在風(fēng)電齒輪箱性能不斷退化的過(guò)程中，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段很難有效地在故障出現(xiàn)的早期就及時(shí)監(jiān)測(cè)到故障，而等發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，風(fēng)電齒輪箱的傳動(dòng)系統(tǒng)早已出現(xiàn)嚴(yán)重的故障甚至失效[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)外常用的風(fēng)電齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法有振動(dòng)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)和油液磨粒監(jiān)測(cè)等[4-5]。為解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障這一問(wèn)題，提出將靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電齒輪箱磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。
靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種新型的機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)能夠?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)的性能異常提供故障預(yù)警信息。相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)這些參數(shù)反饋的信息，及時(shí)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行視情維護(hù)，從而避免機(jī)械系統(tǒng)故障[6]。靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)最早應(yīng)用于航空領(lǐng)域，最初是為了探測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路中的碎片，以檢測(cè)外來(lái)物吸入、葉片摩擦和燃燒室降解等情況[7-13]。靜電監(jiān)測(cè)原理如圖1所示(圖中OLS表示潤(rùn)滑油路靜電傳感器，Q表示電荷量)，靜電傳感器通過(guò)感應(yīng)探極檢測(cè)移動(dòng)電荷量，并通過(guò)電荷放大電路及A/D(analog/digital，模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。
Harvey等[14]采用3個(gè)磨損區(qū)域靜電傳感器和1個(gè)潤(rùn)滑油路靜電傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)由內(nèi)圈預(yù)縮和超載加速的圓錐滾子軸承的失效狀態(tài)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：在軸承失效前4小時(shí)，潤(rùn)滑油路靜電傳感器檢測(cè)到排氣管路中磨損碎片的產(chǎn)生量增加，安裝在測(cè)試軸承附近的磨損區(qū)域靜電傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果也顯示軸承性能惡化;在故障發(fā)生前6.5小時(shí)，3個(gè)磨損區(qū)域靜電傳感器的值呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)。結(jié)果表明，磨損區(qū)域靜電傳感器能夠識(shí)別失效軸承的位置，而潤(rùn)滑油路靜電傳感器能夠檢測(cè)到排氣管路中的磨損碎片，由此說(shuō)明靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種可行且能夠替代傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)(如振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù))的新型狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。Craig等[15-16]通過(guò)結(jié)合其他狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)一步研究了軸承磨損狀態(tài)靜電監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)磨損部位的動(dòng)態(tài)電荷量、加速度和溫度對(duì)軸承的摩擦磨損狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，摩擦后的良性磨損表現(xiàn)為磨損部位和油路的電荷量減少[17-18]。
為此，在上述研究的基礎(chǔ)上，筆者根據(jù)靜電監(jiān)測(cè)原理搭建了風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)靜電監(jiān)測(cè)平臺(tái)，采用多個(gè)同類(lèi)型的靜電傳感器對(duì)風(fēng)電齒輪箱的磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并基于傳統(tǒng)方法提取特征參數(shù)，然后運(yùn)用移動(dòng)窗局部離群因子(movingwindowlocaloutlierfac‐tor，MWLOF)算法分別對(duì)負(fù)荷試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)[19]中風(fēng)電齒輪箱磨損狀態(tài)的靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，旨在驗(yàn)證靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)在風(fēng)電齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的可行性。
1多監(jiān)測(cè)信息融合算法
1.1特征參數(shù)提取
靜電信號(hào)特征參數(shù)的提取是判斷故障診斷準(zhǔn)確性的前提。目前，常用的特征參數(shù)提取方法為傳統(tǒng)的時(shí)域特征參數(shù)提取方法。傳統(tǒng)的時(shí)域特征參數(shù)分為有量綱參數(shù)和無(wú)量綱參數(shù)，包括平均值、均方根、標(biāo)準(zhǔn)差、峰-峰值、偏度和峭度等[20]。
時(shí)域分析是一種線性分析方法，在實(shí)際應(yīng)用中其對(duì)靜電信號(hào)的變化作出及時(shí)的反應(yīng)，這一缺點(diǎn)在一定程度上限制了時(shí)域分析的發(fā)展。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)時(shí)域分析的不足，引入復(fù)雜度度量參數(shù)，如樣本熵、模糊熵和排列熵[20]。復(fù)雜度度量法是一種非線性分析方法，該方法有效提高了靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)的早期故障診斷能力。
1.2LOF算法的原理
局部離群因子(localoutlierfactor，LOF)算法是一種基于密度的檢測(cè)算法[21]。為了能夠檢測(cè)出離群點(diǎn)，為每個(gè)數(shù)據(jù)賦予一個(gè)指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)離群程度的判斷，具體計(jì)算步驟如下。
2多靜電傳感器信息融合
2.1多靜電傳感器信號(hào)初始轉(zhuǎn)化
考慮到實(shí)際數(shù)據(jù)集是由多個(gè)靜電傳感器采集的數(shù)據(jù)組成的，因此在運(yùn)用LOF算法融合信息時(shí)，需先對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。若不對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，則在計(jì)算時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判斷故障的發(fā)生。數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)化處理步驟如下。
3試驗(yàn)驗(yàn)證
以風(fēng)電齒輪箱作為研究對(duì)象，在2組風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的不同位置安裝潤(rùn)滑油路靜電傳感器后，并分別進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)。由于潤(rùn)滑油路靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)不受工況的影響，采用不考慮工況變化的MWLOF算法對(duì)風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的前1000個(gè)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行融合計(jì)算。
3.1負(fù)荷試驗(yàn)
風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷試驗(yàn)靜電監(jiān)測(cè)平臺(tái)如圖3所示。該平臺(tái)采用的是新型3.5MW風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，包括主、陪試齒輪箱，其中陪試齒輪箱的傳速比大于主試齒輪箱的傳速比。由于2個(gè)風(fēng)電齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而試驗(yàn)條件有限，僅分別在2個(gè)齒輪箱的出油口處安裝靜電傳感器。2個(gè)靜電傳感器通過(guò)探極與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接，以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與處理。
風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷試驗(yàn)的動(dòng)力源和加載裝置為2臺(tái)功率為8MW的電機(jī)。負(fù)荷試驗(yàn)共連續(xù)循環(huán)進(jìn)行50次，每次均持續(xù)570min。為了便于觀察，將這50次循環(huán)分成5個(gè)組，每10次循環(huán)為一組。具體試驗(yàn)步驟如下：開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行始終與風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行保持一致;在試驗(yàn)過(guò)程中，連續(xù)采集5次數(shù)據(jù)后停機(jī)檢查，然后繼續(xù)采集。若風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常或報(bào)警，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依舊記錄數(shù)據(jù)，作為判斷該傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)的依據(jù)。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)監(jiān)測(cè)到的靜電信號(hào)進(jìn)行分析。
風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷試驗(yàn)靜電監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。為了使分析更加準(zhǔn)確，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行階段化處理，如圖5所示。圖中LOF值表示風(fēng)電齒輪箱磨損狀態(tài)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值，下文同。
相關(guān)期刊推薦：《工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)》(雙月刊)刊登反映國(guó)內(nèi)在工程技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)方面的研究成果及其在工業(yè)界的應(yīng)用情況的研究論文的同時(shí)，組織翻譯德國(guó)作者的聞新論文介紹給中國(guó)讀者。設(shè)有：工程設(shè)計(jì)理論與方法、機(jī)電一體化和智能化、機(jī)電產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)、土木建筑工程設(shè)計(jì)等欄目。
通過(guò)觀察圖4和圖5可知，在整個(gè)風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷試驗(yàn)中，靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化幅度較大;共26次循環(huán)的靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值基本穩(wěn)定在閾值下，其他循環(huán)的靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值基本在閾值以上。在整個(gè)負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)電齒輪箱磨損狀態(tài)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化規(guī)律為：第1次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值始終小于閾值;第2次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值超過(guò)閾值，LOF值變化平穩(wěn);第3次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值開(kāi)始增大;第4次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值先持續(xù)增大后開(kāi)始減小;第5次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值逐漸減小，一直到第10次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值減小至閾值之下;第11循環(huán)至第27次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值保持穩(wěn)定;第28次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值出現(xiàn)突變，LOF值急劇增大并且大于閾值;第31次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值進(jìn)一步增大;當(dāng)運(yùn)行至第34次循環(huán)時(shí)，靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值開(kāi)始有減小趨勢(shì);第36次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值先增大后減小;第37次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值減小并且小于閾值;第38次循環(huán)至第45次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值變化平穩(wěn);第46次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值先增大后減小，一段時(shí)間之后再次增大;第47次循環(huán)至第49次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值較為穩(wěn)定;第50次循環(huán)中靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值再次減小，一直減小至閾值以下。
由圖4和圖5可知，上述風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在第2和第3次循環(huán)中產(chǎn)生了故障，通過(guò)采取一定的措施后重新運(yùn)行;在第28次循環(huán)后該傳動(dòng)系統(tǒng)的性能出現(xiàn)退化;在第31次循環(huán)和第46次循環(huán)中該傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)了早期故障。由此可推斷，該風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)未出現(xiàn)較嚴(yán)重的故障，能正常運(yùn)行。
上述結(jié)果表明：靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)具有高靈敏度、高分辨率的特征，它可以監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)輕微故障引起的變化，提供早期預(yù)警。
3.2破壞試驗(yàn)
風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)破壞試驗(yàn)靜電監(jiān)測(cè)平臺(tái)如圖6所示。該平臺(tái)采用的是某新型2.5MW風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。與負(fù)荷試驗(yàn)靜電監(jiān)測(cè)平臺(tái)不同的是，該平臺(tái)中的靜電傳感器是經(jīng)改裝設(shè)計(jì)后再安裝在風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的回油管路上的。破壞試驗(yàn)的動(dòng)力源和加載裝置為2臺(tái)功率為3.6MW的電機(jī)。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和扭矩，其中轉(zhuǎn)速始終是額定轉(zhuǎn)速，扭矩為2倍額定扭矩;在試驗(yàn)過(guò)程中，保持風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。破壞試驗(yàn)只需對(duì)主試齒輪箱的磨損狀態(tài)靜電信號(hào)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7(a)所示。為使分析更加準(zhǔn)確，對(duì)第4000個(gè)至第4400個(gè)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值的變化進(jìn)行放大分析，如圖7(b)所示。
由圖7可知，在整個(gè)風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)破壞試驗(yàn)中，采集的靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的數(shù)量為4891個(gè)，前4320個(gè)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值小于閾值;第3223，4068和4188個(gè)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閾值。
通過(guò)觀察可知，第3223個(gè)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的LOF值突變，說(shuō)明此時(shí)風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)故障，但仍然能夠正常運(yùn)行;第4321個(gè)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)之后，LOF值的異常值增多，說(shuō)明此時(shí)風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)接近失效;第4352個(gè)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)之后，其LOF值均大于閾值，說(shuō)明此時(shí)風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)已完全失效。
上述結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)具有更高的靈敏度，能夠更準(zhǔn)確且更早地監(jiān)測(cè)到故障的發(fā)生。
4結(jié)論
運(yùn)用MWLOF算法分析了風(fēng)電齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)中風(fēng)電齒輪箱磨損狀態(tài)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，靜電監(jiān)測(cè)相比于振動(dòng)監(jiān)測(cè)等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠更早地監(jiān)測(cè)到風(fēng)電齒輪箱的故障并作出較準(zhǔn)確的預(yù)警，這可為針對(duì)大型設(shè)備關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供參考。——論文作者：劉舒沁1，劉若晨1，孫見(jiàn)忠2，張進(jìn)武1
