米　林,封泠雨,谭　伟

(重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆　400054)



风电齿轮箱在线监测系统方案设计

米林,封泠雨,谭伟

(重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室,重庆400054)

摘要：结合风电齿轮箱在线监测现有理论和技术以及对风电齿轮箱故障的分析，提出了一种实时监测风电齿轮箱的新方案。对风电齿轮箱高速端的振动、润滑油的温度和压力进行了实时监测,能随时掌握风电齿轮箱的运行状态，在齿轮箱出现故障时可及时采取措施,防止造成不必要的损失。阐述了该方案的理论基础、具体方案、待解决的问题和方案实现功能，可为风电齿轮箱的检测技术提供一定的借鉴。

关键词：风电齿轮箱；实时监测；故障

齿轮箱是风力发电机组中一个重要的机械部件，作为机构中的传动系统起传输动力的作用。在风力发电机正常运转的情况下，风轮转速较低，难以满足发电机的发电要求，通过齿轮箱增速可以达到发电机的额定转速，实现正常发电，所以齿轮箱又称作增速箱。

风力发电机组的运行环境十分恶劣，发生故障的几率非常高，安装和维修工作比较困难，且费用高。在欧洲，风电齿轮箱运行和维护的费用占整个工程的12%～30%[1]。通过实时监测上齿轮箱运行状态，及时发现并处理问题是减少风力发电场损失的一个有效措施。

本文以现有的风电齿轮箱监测系统为基础，针对大型风力发电机组的状态监测与故障诊断需求，设计了一种能实现风电齿轮箱运行状态实时监测与记录，以及能进行远程报警的新方案。根据企业要求，监控系统需要实现现场数据实时采集、分析、存储和远程报警等功能。

目前工业上使用的监测系统是与风电控制系统平行的另一套设备，成本较高。Peter Fogh Odgaard提出使用风电控制系统的传感器直接测量发电机转速，以得到齿轮箱共振频率的变化。该方法需要额外安装滤波器或者采用霍特林变换来实现信号的获取和分析[2]。但是，此方法对于后期的故障诊断略显单一，与本研究的条件不符。

国内风电齿轮箱监测系统采集的数据通过局域网传输至数据库，完成数据的汇总和处理，并提供给诊断中心进行分析，不具备数据的实时处理和远程报警功能。因此，开发一套能够在齿轮箱所有运行状态下实现数据采集、分析、存储和远程报警等功能的风电齿轮箱监测系统是十分必要的。

1风电齿轮箱常见故障

风电齿轮箱在运转过程中，齿轮持续工作，既受到大小、方向随时间呈周期性变化的载荷作用，又受到润滑和振动等外围因素的影响，故障时有发生[3]。

齿轮箱中含有齿轮、滚动轴承和轴3类主要零部件，其失效时产生的故障通常会相互影响[4]。其中，齿轮故障和滚动轴承故障是风电齿轮箱最常见的故障，其他故障还包括转子不平衡、轴承不对中和支撑件松动。

齿轮箱常采用的润滑方式有飞溅润滑和强制润滑，其中强制润滑使用最为广泛[5]。一旦润滑冷却系统出现问题，齿轮箱内部环境变得恶劣，将导致齿轮和轴承提前失效[6]。

2待解决的问题

2.1监测参数的选择

1) 振动。风电齿轮箱各级齿轮间的啮合以及轴与轴承在旋转过程中的法向跳动会引起齿轮箱的振动。测量的振动信号含有丰富的故障信息，通过对振动频谱的分析可以得到各个齿轮的啮合频率。齿轮箱低速端转速较低，测量信号太过于微弱，因此本系统把齿轮箱高速端作为测试点，需要在水平和垂直两个方向进行测量。

2) 温度。润滑冷却系统的故障通常会造成齿轮箱油温过高或者过低，进一步导致齿面胶合和损伤，在一定程度上还会使齿轮箱的传动效率降低，所以应对齿轮箱的油温进行实时监控。此外，轴与轴承的摩擦会产生一定热量，热量达到热平衡时，轴承的工作温度处在正常范围，但一旦轴和轴承配合异常，使得热平衡被打破，轴承温度就会升高。轴承温度也是齿轮箱中必要的检测数据。

3) 压力。齿轮箱内部的压力一旦出现异常，就会影响到齿轮箱内部润滑系统的散热和润滑功能，严重影响风电齿轮箱的正常运行。因此需要对齿轮箱内部润滑油压强进行监测，及时发现故障以减少不必要的损失。应企业要求，分别在齿轮箱润滑油进口处和油泵出口处设置监测点，以保障齿轮箱内部润滑油的流动方向正常。

2.2通讯方式

风力发电场没有高速的网络来实现系统的报警功能，需要一种可行性强的通讯方式完成数据传输。郑翔等[7]在风力发电机组齿轮箱润滑油温度监控系统中采用GSM-Modem通信技术对齿轮箱润滑油温度进行远程控制。考虑使用无线传输技术来实现报警功能。由于电力系统中存在电感、电容等储能元件，当电压或电流剧烈变化时会产生频谱宽、能量高的干扰噪声，这对电子元器件的危害是相当大的[8]，因此应在方案中对该问题加以重视。

3监测系统方案

3.1风电齿轮箱监测系统的硬件组成

如图1所示，风电齿轮箱在线监测系统的硬件组成包括传感器、变送器、数采模块和工控机通信线路[9-15]，实物见图2。

图1　风电齿轮箱监控硬件组成

1) 传感器。根据测量对象的不同需要选用不同的传感器，其具体型号和参数如表1所示。

表1　传感器的选择

2) 温度变送器。Pt100温度传感器通过内部电阻值的大小来反映测量温度值。本系统采用SBWZ-2280变送器为温度传感器Pt100提供变送电路。

图2　风电齿轮箱监控硬件实物

3) 数采模块。如图3(a)所示，本系统采用COMWAY WRC-616无线数据采集和控制终端，是集成模拟和数字信号采集、过程IO控制和无线数据通道等功能的高性能测控设备，其连接线路如图4所示， HAD 4XX4-A为压力传感器与变送器的集成模块。油压和温度模块采用两线制电流输出的接线方式，振动模块采用三线制的接线方式。数采模块通过RS485串口输出，并经RS485-To-RS232转换接口接入工控机串口。数采卡具有远程通讯模块，如图3(b)所示，只要插入3G手机卡就能够实现监测系统与外部的通讯。

图3　采集模块实物

图4　数采模块连接

4) 工控PC机。采用工控PC机对信号进行计算和故障判断。若判断出现故障，则PC机反向向数采卡发送故障代码信息，然后数采卡发送故障信息至用户。工控机实物见图5，工控机参数见表2。

图5　工控机实物

型号X26-1037G供电方式12VDC运行内存2GBDDR3硬盘内存500GB系统Windowsxp接口4个RS232串口4个USB3.0,4个USB2.01个HDMI,2个kM网卡尺寸190mm×190mm×29mm质量1500g工作温度0～70℃

3.2风电齿轮箱监测系统的软件部分

1) 软件系统实现功能

系统在无间断的数据采样过程中进行连续的数据分析和故障判断。数据的存储和报警程序流程如图6所示，利用预先输入的振动、压力、温度的正常范围，对采集数据进行故障判断，以决定不同的存储方式。若判断无故障，则以每10 min存储一段数据的方式进行存储；如果出现故障则需要对故障数据进行连续存储，并发送远程报警信号。考虑到连续的存储过程中可能会出现存储空间不足的现象，因此在未出现故障的情况下每存储一次数据后对数据库存储空间进行一次检测，若存储空间不足则需要对数据库进行整理，再完成数据的存储。

图6　存储和报警程序流程

2) 程序运行

本系统在labvIEW程序环境下实现监测功能，其前、后面板如图7、8所示。

图7　系统前面板

图8　系统后面板

3) 相关数据

为了验证监控系统对各个参数的监控性能，将系统安装在重庆齿轮箱有限责任公司研发制造的1.5M kW风电增速箱中进行试验运行。结果如表3所示。由于数据较多，仅列出5组数据作为验证凭证。根据企业要求，温度1,2通道设定的温度阈值为70 ℃，压力通道阈值设定为1 000 kPa，振动烈度阈值为2 mm/s。分别以100,200,300作为报警代码区分不同测试参数的故障状态。

表3　试验数据

4结束语

本文提出的风电齿轮箱在线监测系统方案,满足了目前风力发电场所需的在线监测要求，能及时对测量数据进行分析、比较并判断设备是否存在故障。同时，为了解决风力发电场交通不便的问题，采用无线通讯技术发送故障报警信息。最后，通过试验得出数据，对本文风电齿轮箱在线监测系统的功能进行验证。结果表明：该系统实现了预期的功能。

参考文献：

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(责任编辑杨黎丽)

Project Design of On-Line Condition Monitoring System of Wind Turbine Gearbox

MI Lin, FENG Ling-yu, TAN Wei

(Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:This article combined wind turbine gearbox testing technology with wind turbine gearbox’s malfunction analysis and presented a new project to master the wind turbine gearbox’s operate state at any time. This project made a whole way real-time monitoring in the vibration of the high speed part, temperature of the lubricating oil and the pressure, by which can control the operating state of wind turbine gearbox to prevent unnecessary lost when malfunction appear with measures. This article narrated theoretical basis, definite execute solution, some problems to be solved and functions realization of this new project and also provided certain reference for wind turbine gearbox testing technology.

Key words：wind turbine gearbox; real-time monitoring; malfunction

文章编号：1674-8425(2016)02-0109-05

中图分类号：TP277

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.019

作者简介：米林(1964—)，四川武胜人，教授，主要从事汽车、摩托车以及风电等方面的测控技术研究。

基金项目：重庆重齿风力发电齿轮箱有限责任公司横向课题“风电齿轮箱台架试验在线监控系统”(2015Q22)

收稿日期：2015-10-22

引用格式：米林,封泠雨,谭伟.风电齿轮箱在线监测系统方案设计[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，2016(2):109-113.

Citation format：MI Lin, FENG Ling-yu, TAN Wei.Project Design of On-Line Condition Monitoring System of Wind Turbine Gearbox[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):109-113.