风机叶片故障预测的振动方法研究

风机叶片故障预测的振动方法研究

王靖天

新疆庆华能源集团有限公司   新疆维吾尔自治区   伊犁哈萨克自治州   835100

摘要：风能是一种安全、可再生的清洁能源。风轮（叶片）是风能转化的关键装置。但是，风电机组在正常工作时，会因为惯性力、气动等原因而出现多种故障。因此，对风机叶片进行故障预测具有十分重要的意义。文章对风机叶片故障预测的振动方法进行了简单的探讨与研究。

关键词：风机；叶片故障预测；振动方法

1相关概要

随着能源危机的加剧，具有清洁、安全和可再生等优点的风力发电受到了世界各国的广泛关注。风电机组是实现风能向电能转换的关键设备。当机组在运行时出现故障时，不仅会使机组的效率降低，而且会使机组停机，给机组带来巨大的经济损失；此外，风电场地处偏僻，给设备的维护与维护带来了不便。为此，采用行之有效的方法，对风机运行过程中出现的问题进行实时监控，并对其进行检修，对于保证机组的安全运行起到了十分重要的作用。根据统计，风机故障的主要原因是振动。目前采用的“轴承振动仪”仅从单个点来间接地对轴承振动仪进行检测，其性能和准确度都不高。根据目前风电场对风机振动监测的需要，建立了一种新的风电叶片振动监测网络模型。本项目以数字信号处理器为平台，通过对风机受风影响以及风机叶片受风时频、移等因素影响时的特性。系统能对风机叶片出现的初期故障进行诊断，从而避免了设备的损伤和事故的发生。

2风机叶片故障预测振动方法的原理分析

在风电机组运行中，其振动模态不但能反映出机组的工作状况，而且也能反映出机组可能出现的故障信号。风机叶片具有特定的工作频率，通常工作频率大于-0.2ＨＺ。根据这个数值，可以对一些重要的参数如加速度、位移等进行判断。当加速度大于一定值时，可将其作为判据，判断是否存在故障，并能及时发现并处理。通过对加速度的测量，可以很好地判断出风机叶片的振幅。其测试原理有三点：①通过对加速度的积分处理，掌握速度v的大小，并通过计算得到风机叶片的振动频率。②通过积分速度，了解风机叶片在振动过程中的位移，可以有效地理解它们的振动幅度。基于先前测量的位移、加速度值和速度，对加速度进行矢量计算。③根据已测得的位移、加速度值及速度值，求出加速度向量。根据所测得的参数及所含的信息，即可求出叶片的振幅及方向，从而可对叶片的故障进行正确判断及处理。

3风机叶片故障预测的振动方法

3.1系统硬件部分的设计

（1）传感器模块

传感器模块中三轴加速度传感器的选择非常重要。在具体的设计与选用时，必须保证其能准确地测量出振动加速度在X、Y、Z三个方向上的数值。Freescale公司的三向加速度传感器MMA7260Q就是其中能够较好地实现这一目的。在本设计中，选用了这种类型的换能器，并选择了风机塔的振动信号作为低频信号。通过引入外加电容，可以有效地抑制信号的频带宽度，减小信号的噪声，提高信号的分辨率。实测结果表明，振动带宽为10Hz，噪声为1.9mg，噪声为1.2g。

（2）CPU模块

在实际的测试与分析中，15台加速度计要仿真出高精度的A/D信号，这就对CPU芯片的性能提出了很高的要求。为此，可以选用一款TMS320F2812单片机，该单片机具有12位A/D运算能力。本系统所设计的微处理器对数据的处理能力很强，运算速度也很快，完全可以满足实际应用的需要。但在实际取样时，往往会遇到大量的杂波，因此必须采用IIR方法对振动信号进行处理，以确保分析结果的精度。

（3）信号调理模块

在模拟信号的处理过程中，低通滤波元件是最重要的环节，其性能直接关系到被提取出的信号的品质。在实际的设计过程中，为了保证高的阻滞衰减率，需要将滤波器的阶次设置得比较高。为此，可以选用一种8阶的低通巴特沃斯滤波器，其通带响应均衡化可对信号进行去混叠滤波。

（4）存储器模块

在系统运行中，一旦发生故障，就必须对其进行实时存储，以便于对其进行分析、评估和查询。所以，对传感模块进行设计就显得尤为重要。可以选用FM24C16内存芯片，采用I2C方式将其与TMS320F2812连接。

（5）电源模块

该系统采用24V直流电源。控制晶片需用一台3.3伏的直流电源来提供动力，此电源可经由切换稳压器来提供。在信号调整电路中，运放采用5V供电，由两个线性调整器分别提供供电。

（6）通信模块

通信模块是实现监测系统与监测系统的通信。在具体的设计工作中，可以使用TI的接口芯片75LBC184来设计通信电路，将波特率设定在19200位/s，这样才能确保系统具有较好的通讯性能，达到实际通讯的要求。

（7）继电器驱动电路

如果系统在使用过程中，检测到风机的速度和振幅超过了报警阈值，那么就必须及时地利用继电器将风机与供电网络断开，切断供电电路，避免高频谐波渗透到电网系统中。所以，如何选用合适的继电器显得尤为重要。在本设计中，选择了欧姆龙G6B型继电器作为电源。在实际工作中，如果绕组正常上电，继电器就会关闭，如果绕组不正常上电，则会打开。

3.2软件设计

在进行软件设计时，需要对滤波器型式、滤波器高通截止频率等进行适当的处理与设定。在此基础上，对系统的低通截止频率进行了设计，对部分采集点及数据类型进行了精确的计算。基于该模型，必须对其进行合理的设定，才能对其进行有效的检测，并对其进行精确地记录，以便对其进行有效的防范和处理。另外，建立并记录这些信息，还可以保证信息的安全性，避免由于各种原因造成的信息损失。为保证软件系统的正常运转，还必须对采集、数据、模拟等信号进行有效的处理，并设定相应的过滤算法，使得各个相连的部件都可以被有效地连接起来，并能够正常运转，从而保证系统的正常运转。

3.3材料刚性

如果风机长期处于高强度的振动状态，将使其材质的硬度大幅度下降，从而引起整个设备的失效。如果扇子的振动幅度太大，并结合较低的底座，将很容易导致轴承损坏。在真正地运行中，风机的转速会逐渐升高，而在合适的转速下，振动不会有太大的影响。当转速超出某一直时，风机的振动将会急剧增大，其主要原因是风机的材质发生了突变。当风机的速度越来越快时，它的离心力也越来越大。离心转速增大到某一程度，将引起叶片与主轴的明显改变，使离心转速与干涉力继续增大。当叶片与主轴产生较大的变形时，对叶片与流动的作用力将产生较大的改变，这时，空气动力学干扰力将发生改变。在工作条件比较平稳的情况下，扰动力也很平稳，可应用于动作均衡的工作。在本例中，由于弹性变形而产生了平衡。在此基础上，提出一种新的结构形式——材质的刚性对其振动特性的影响。但是，要实现这样的平衡，需要在起动时保证合适的振幅，而且振幅要逐步增大。风机在正常运行后，仍能维持在一个平稳的水平。

4结语

目前，风电已成为缓解我国能源短缺的一种重要方式。虽然风机叶片在使用中仍然存在着一定的故障。风机故障预测系统是一种有效的方法。在此基础上，还可用于风机叶片的振动分析和研究。另外，该方法在实际运用中具有比较好的效果。

参考文献：

[1]徐聪,许庆志,许相凯.基于共振解调的地铁风机振动监测系统研究[J].智慧轨道交通,2023,60(02):51-55+71.

[2]林丽,高建华,经昊达等.风机齿轮箱故障诊断与预警方法的研究进展[J].仪器仪表与分析监测,2018(01):1-7.

[3]赵洪山,郭伟,邵玲等.基于子空间方法的风机齿轮箱故障预测算法[J].电力自动化设备,2015,35(03):27-32.