一种机械塔架故障诊断技术的制作方法

专利名称：一种机械塔架故障诊断技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机械塔架故障诊断技术，属于机械故障检测与诊断技术的范畴，主要 用于以振动检测分析技术在线检测、诊断机械塔架和线缆，如输电线路的电塔和电缆、无 线通信的中继塔、风力发电的塔架、石化设备的反应塔、冶金设备的高炉以及高层建筑等 的故障。技术背景现有建筑、工业、电力设施中经常使用塔架结构。多数塔架没有故障检测装置，而是 采用自信是充分保守的设计规范来保障安全。甚至某些影响巨大的高塔设备如冶金高炉也 没有专用的安全检测装置。以致不仅时有意外事故发生，如风力发电机因运转共振损毁， 电塔、电缆塔因为电缆线冰冻和风雪袭击而倒塌，更何况由于缺乏对于这些设施与环境关 系的认知手段，以致很难提出中肯的设计要求与改进意见。因此，为保障上述机械塔架系 统的安全运行和实现对其与环境条件相互关系的认知作为设计创新的依据，需要发明机械 塔架故障诊断技术。发明内容本发明的目的旨在提出一种机械塔架故障诊断技术，通过对运行状态下的塔架的相 关物理量的监测，确认运行塔架的使用状态的安全与否；以便使用者采取安保措施。这种机械塔架振动故障诊断技术，其特征在于含有包括振动或/和稳态加速度检测 传感器以及受力方向检测传感器的传感器组1、采集传感器组信号和对传感器组的信号进 行分析诊断的故障信息处理器2，把传感器组1检测的信号通过电缆传输给故障信息处理 器2，并由故障信息处理器2所含硬件采集信号后经所含的相应软件进行分析诊断及处理。传感器组1含有安装在塔架上层、按照东南西北地理坐标设置，使敏感塔架整体在南 北方向振动的加速度传感器N1与东西方向振动的加速度传感器E1，以及使敏感塔架绕其 对称中心O显现扭转振动的加速度传感器N2、 E2和检测外作用Y方向相对塔架东西方 向并以东方为参考之极坐标的传感器J;敏感东西、南北横向振动的传感器E1、 Nl和敏 感扭转振动传感器E2、 N2与塔架对称中心0等距离安装；敏感南北振动的传感器N1的 敏感轴指向北方N，敏感东西方向振动的传感器E1的敏感轴指向东方E;敏感南北振动 的传感器N1与敏感扭转振动的传感器N2安装在同一位置，敏感东西振动的传感器E1与 敏感扭转振动的传感器E2安装在同一位置;并且敏感扭转振动的传感器E2的敏感轴指向传感器安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的反时针切线方向，敏感扭转振动 的传感器N2的敏感轴则指向传感器安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的顺 时针切线方向。
所述故障信息处理器2含有AD接口电路21 ，还含有由微处理器运行的分析诊断系统 22;各传感器输出的加速度信号N1、 N2、 El、 E2、及受力方向角的信号J分别接到故障 信息处理器2的AD接口电路21的对应输入端N1、 N2、 El、 E2、 J，并对AD接口输出 的信号N1、 N2、 El、 E2、 J由故障信息处理器的分析诊断系统22中的软件按照公式
NZ=[(N2-E1)- (E2-N1) ]/2 (1)
计算塔架相对于其对称中心0的扭振信号；
按照公式nl=Nl+E2+NZ (2)和公式el=El+N2-NZ (3)
计算塔架整体真实的横向振动； 按照公式y:el conj+nl sinj (4) 计算塔架横向振动在受力方向Y轴的振动分量； 按照公式Pwl sinj+nl conj (5)
计算塔架横向振动在Y轴的正交方向X轴(与Y垂直向右)的振动分量； 并且根据传感器(Nl、 N2)的信息及计算式F:tg—、Nl/N2) (6-1)、根据传感器(El、 E2)的信息及计算式F二 tg—'(E2/E1) (6-2) 计算获取塔架的倾斜的主方位角；
根据传感器(Nl、 N2)的信息及计算式(^sirf'((2NlN2sin2FrVg ) (7-1)、根据传 感器E1、 E2的信息及计算式Q^irT'((2ElE2sin2F)"/g ) (7-2)获得塔架的倾斜的主倾斜 角。
所述故障信息处理器2还含有实现相对地理坐标N、E的N轴方向的振动加速度Jnl、 E轴方向的振动加速度Jel以及相对塔架对称中心的垂直线的扭转振动加速度JNZ分离 的，并将对应的加速度信号JNZ、 Jnl、 Jel运算为振幅的"分离运算器"23;传感器加速 度信号N1、 N2、 El、 E2接到分离运算器23的输入端N1、 N2、 El、 E2，分离运算器输 出的振幅信号NZ、 nl、 el接到故障信息处理器的AD接口对应的NZ、 nl、 el信号输入 端；AD接口电路21将采集得到的信息N1、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ送到分析诊断 系统22进行故障诊断。
所述分离运算器23含有按照计算式NZ呵(N2-E1) - (E2-N1) ]/2计算扭转振动的运 算器31、按照计算式nl=Nl+E2+NZ计算N方向振动的运算器32，按照计算式 el=El+N2-NZ计算E方向振动的运算器33，以及对NZ、 nl、 el对应的加速度振动信号 运算为振幅信号的重积分器34、 35、 36; Nl、 N2、 El、 E2传感器的输出信号接到按公式 NZ=[ (N2-E1) - (E2-N1) ]/2设计的运算器31的输入端Nl、 N2、 El、 E2,运算器31 的输出端JNZ接到重积分器34的输入端JNZ，重积分器34的输出端NZ输出振幅信号 NZ;传感器Nl、 E2的信号接到按公式nl=Nl+E2+NZ设计的运算器32的输入端Nl、 E2，
8运算器31的输出端JNZ接到运算器32的输入端JNZ，运算器32的输出端Jnl的输出信 号Jnl接到重积分器35的输入端Jnl，重积分器35的输出端nl输出振幅信号nl;传感 器N2、 El的信号接到按公式e^El+N2-NZ设计的运算器33的输入端N2、 El，运算器 31的输出端JNZ接到运算器33的输入端JNZ，运算器33的输出端Jel输出的Jel信号接 到重积分器36的输入端Jel，重积分器36的输出端el输出振幅信号el。
按照公式NZ=[(N2-E1)- (E2-N1) ]/2设计的运算器31含有运放OPl-l~OPl-3、电阻 器R1 R10，其中电阻器R^R2:2R3， R4=R5=2R6， R7=R8， R9=R10;并且N1信号接到 电阻器R1的一端，电阻器R1的另一端接运放0P1-1的负输入端，N2信号接电阻器R2 的一端，电阻器R2的另一端接运放0P1-1的副输入端，运放0P1-1的输出端与负输入端 之间接电阻器R3，运放0P1-1的正输入端接地，运放0P1-1的输出为(Nl+N2) /2; El 信号接到电阻器R4的一端，电阻器R4的另一端接运放OPl-2的负输入端，E2信号接电 阻器R5的一端，电阻器R5的另一端接运放OP1-2的负输入端，运放OP1-2的输出端与 负输入端之间接电阻器R6，运放OP1-2的正输入端接地，运放OPl-2的输出为-(El+E2) /2;运放0P1-1的输出端将信号-(Nl+N2) /2接到运放OP1-3的负输入端，运放0P1-3 的负输入端与输出端之间接电阻器R8，运放(^1-2的输出端将-(El+E2) /2信号接到电 阻器R9的一端，电阻器R9的另一端接运放OPl-3的正输入端，运放OPl-3的正输入端 与地之间接电阻器R10，运放OPl-3的输出为
fW ,駕；
按照公式nl=Nl+E2+NZ设计的运算器32含运放OPl-4、 OP2-4、电阻器R11 R16， Nl信号接电阻器Rll的一端，电阻器Rll的另一端接运放OP1-4的负输入端，信号El 接电阻器R12的一端，电阻器R12的另一端接运放OPl-4的另一端，信号JNZ接电阻器 R13的一端，电阻器R13的另一端接运放0Pl-4的负输入端，运放0P1-4的正输入端接 地，运放0P1-4的负输入端与输出端之间接电阻器R14，运放OPl-4的输出端经过电阻器 R15接运放OP2-4的负输入端，运放OP2-4的正输入端接地，运放OP2-4的负输入端与 输出端之间接电阻器R16，运放OP2-4的输出即是Jnl=Nl+El+JNZ;
按照公式el=El+N2-NZ设计的运算器33含有运放OP2-l~OP2-3、电阻器R17 R25， El信号接电阻器R17的一端，电阻器R17的另一端接运放0P2-1的负输入端，信号Nl 接电阻器R18的一端，电阻器R18的另一端接运放0P2-1的负输入端，运放0P2-1的正 输入端接地，在运放0P2-1的负输入端与输出端之间接电阻器R19，运放0P2-1的输出即 是-(E1+N1);信号JNZ接电阻器R20的一端，电阻器R20的另一端接运放OP2-2的负 输入端，运放OP2-2的正输入端接地，在运放OP2-2的负输入端与输出端之间接电阻器 R21，运放OP2-2的输出即是-JNZ，该-JNZ信号接电阻器R24的一端，电阻器R24的另 一端接运放OP2-3的正输入端，运放OP2-3的正输入端还经过电阻器R25接地，信号-(E1+N1)接电阻器R22的一端，电阻器R22的另一端接运放OP2-3的负输入端，运放OP2-3的负输入端与输出端之间接电阻器R23，所以，运放OP2-3的输出信号即是 El+Nl-JNZ=Jel，所有运放运放OPl、 OP2的正电源端接正电源V+，负电源端接负电源 V-。
所述重积分34、 35、 36各由两级相同的、基于二阶双二次带通滤波器结构的单积分 器级联组成，其每一级二阶双二次带通滤波器含有电阻器R1 R6，电容器C1、 C2，运放 OPl OP3，其中第一级的加速度输入信号JNZ (或Jnl、 Jel)接电阻器Rl，电阻器Rl 的另一端接OP2的负输入端，运放OP2的负输入端还经过并联的电阻器R2、电容器Cl 接其输出端，运放OP2的正输入端接地；运放OP2的输出端经过电阻器R4接运放OP3 的负输入端，运放OP3的负输入端与输出端之间接电阻器R5，运放OP3的正输入端接地； 运放OP3的输出端经电阻器R6接运放OP1的负输入端，运放OP1的负输入端与输出端 之间接电容器C2，运放OP3的正输入端接地，运放OP3的输出端还经过电阻器R3接到 运放0P1的负输入端；由运放OP3或运放OP2的输出端输出的是同相或反相的准速度信 号；第二级积分器的输入电阻器R1接第一积分器输出的准速度信号，从运放OP3或运放 OP2的输出端输出同相或反相的振幅输出信号NZ (或nl、 el);电路中电阻器R4:R5可 以是任意合适的电阻值，电容器OC2，所有运放的正电源端接正电源V+，所有运放的 负电源端接负电源V-;每一级二阶双二次带通滤波器结构的单积分器的谐振频率F0为所 需积分运算的下限频率FT的1/3~1/5，最佳取值为1/4，积分器对于FT以上频率的信号的 传输系数原则上为每倍频程衰减6.02dB。
用示波器部分取代故障信息处理器，把分离运算器23输出的表征塔架东西方向振动 的信号el或E1接到示波器的X轴，X轴代表东方；把分离运算器23输出的表征塔架南 北方向振动的信号nl或Nl接到示波器的Y轴，Y轴代表北方；则在塔架发生振动时， 示波器实时绘制塔架塔心的运动振幅或准加速度轨迹。
当使用故障信息处理器实时釆集Nl、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ,用分析诊断系 统22不仅实时绘制塔心轨迹，还绘制塔体扭振轨迹，其特征还在于还通过对于nl、 el、 yl、 xl、 Q信号的逐时间段的FFT分析，不仅识别风轮不平衡引起的强迫振动分量的幅度， 还识别由于阵风等随机因素激发的塔架的广义共振频率，从而识别塔架系统的固有频率的 漂移，进而实现对塔架潜在刚度下降等隐患的诊断，还实时修正原本以为固定不变的固有 频率数据，为防止等于转速频率的不平衡振动以及等于转速3倍频率的叶片通过频率振动 等于变化了的固有频率合拍共振提供了控制根据。
对于风力发电机检测分离的振动信号nl、 el、 y、 p、 NZ的故障诊断报警限制值按照
下述方法
设传感器安装位置距地面的高度为h[m]，传感器距离塔架的旋转中心或对称中心的半 径为R[m]，转速频率为F0，
则在时间Tl=10/F0内所述横向振动nl、 el、 y、 p的每次振动幅度峰值超过限制值
10XH《5hk/5(^0.01hk[m]则报警；k为无量纲修正系数，取值范围0.5~2;最佳为k-l。
则在时间Tl-10/F0内所述扭转振动NZ的每次扭振幅度峰值超过限制值:XN二0.1hRu/ (50*1.5) i.0013hRu[m]则报警。u为修正系数，量纲[l/m]，取值范围0.5~2;最佳为u^。
主倾角的稳定值(l分钟平均值)超过限制值
XQ=10hv/50=0.2hv [。]则报警。v为修正系数，量纲[。/m]，取值范围0.5~2，最佳为v=l。
诊断软件根据分离的主方向角F和主倾斜角Q的稳定分量识别塔架稳态基础的倾向 性松动或塔身刚度的变异；根据主倾斜角Q的交变分量，或/和根据所述横向振动的nl、 el的交变分量，进行谱分析，识别塔架的横向固有频率、并据该固有频率的漂移以及振动 的非线性特征识别塔架的疲劳及连接件的间隙性局部松动等故障。
原则上，根据N、 E两组传感器测定结果和式(6-2)、 (6-2)以及式(7-1)、 (7-2)计 算的方位角F和主倾斜角Q的稳定分量相差甚远，则判断其中一个传感器有如安装松动 或者失效故障，藉以对检测传感器的自身故障实现自我诊断；并根据N1、 E2和N2、 El 传感器直接输出的稳定加速度信号分量计算的塔架南北、东西方向的倾斜之是否基本相等 和是否超出了塔架最大可能倾斜的范围而识别传感器的故障；识别固定的塔架的振动el、 nl与塔架上安装的可以绕塔架对称中心旋转的载体主轴或者受力方向的以及与该方向正 交的方向的振动分量y、 p，识别受力方向或载体主轴方向的振动因素，如风力发电机的 高低空或/和左右风速差异引起的、叶轮不平衡引起的、叶片通过塔架前方气动激振引起 的振动和扭振，进行全面的故障诊断。
通过传感器组1获取的输电塔的输电线振动传递到电塔的信号的FFT分析，识别电缆 受风摩擦产生的广义共振频率的变化，诊断电缆负重时张力的变化、电缆拉伸、电缆断裂、
电缆出现新支点等故障。
根据以上技术方案提出的这种机械塔架故障诊断技术，由于采用多组设于特定位置的 加速度传感器监控运行状态下的塔架动态状况，因此不仅能掌握塔架沿地理坐标方向的塔 架所受的振动位移，而且还能有效地监测由于环境因素引起的扭转振动和塔体自身地基等 因素引起的变化所带来的众多影响。同时又针对上述变化因素通过与加速度传感器配套的 故障信息处理器，在保证塔架正常工作的范围内及时报警。这对于保证塔架的使用安全和 提高使用寿命提供了技术支持。


图1-1为机械塔架故障诊断装置原理框图； 图1-2为机械塔架故障诊断装置结构示意图； 图1-3为传感器组安装位置示意图； 图2-l、 2-2为主倾角合成的反演分析图3为含分离运算器的机械塔架故障诊断装置结构示意图；图4为分离运算电路框图5-广5-3为分离运算电路31 33的具体电路方案； 图6为振动加速度(量纲m/s2)信号运算为振动振幅(量纲m)的电路图； 图7为重积分器对0. 5Hz加速度准确积分输出振幅信号的仿真示意图8为重积分器传输特性测试图9-1 9-8为用差动电位计测量风力发电机受力方向(主轴方向)相对于东方的极坐 标J示意图lo-no-3为风力发电机主轴指向北方时，发生各种振动情况的塔心轨迹图 图11为扭振轨迹图12-广12-2为0. 15Hz强迫振动分量与塔架0. 396Hz的固有频率广义共振的信息对 应示意图13-1 13-8为一个从启动到定速运转过程，系统出的共振和阵风激励的广义共振的 对应图。
具体实施例方式
实施例1:
这种机械塔架故障诊断技术，含有传感器组l，故障信息处理器2，传感器组l含有
安装在塔架上层，按照地理坐标(东南西北)敏感塔架整体南北方向振动的传感器Nl和 东西方向振动的传感器E1，和敏感塔架绕其对称中心0扭转振动的传感器N2、 E2，还含 有检测外作用Y方向相对塔架东西方向并以东方为参考之极坐标传感器J;故障信息处理 器2含有AD接口电路21和分析诊断系统(软件)22;传感器输出加速度信号Nl、 N2、 El、 E2、及受力方向角的信号J分别接到故障信息处理器2的AD接口电路21的输入端 Nl、 N2、 El、 E2、 J，由故障信息处理器的分析诊断系统22的软件按照下述公式计算所需 的
则塔架相对于全对称中心0的扭振信号
NZ=[(N2-El)- (E2-Nl) ]/2， (1)顺时钟方向为正。
塔架整体真实的横向振动
nl=Nl+E2+NZ， (2) el=El+N2-NZ， (3)
塔架横向振动在受力方向Y轴的振动分量 y=el conj+nl sinj ， (4)
塔架横向振动在Y轴的正交方向X轴(与Y垂直向右)的振动分量
P=el sinj+nl conj ， (5)
塔架的倾斜的主方位角.-
根据传感器N1、 N2的信息:F= tg—'(Nl/N2) (6-1)根据传感器E1、 E2的信息F= tg—'(E2/E1) (6-2)
塔架的倾斜的主倾斜角
根据传感器N1、 N2的信息:Q=sin-乂(2隱sin2F)。Vg ) (7-1) 根据传感器E1、 E2的信息:Q=sin—、(2ElE2sin2F)。Vg ) (7-2)
其特征在于还含有实现相对地理坐标N、 E的N轴方向的振动加速度Jnl、 E轴方向的 振动Jel以及相对塔架对称中心的垂直线的扭转振动JNZ分离的，并将对应的加速度信号 JNZ、 Jnl、 Jel运算为振幅的"分离运算器"23，传感器信号N1、 N2、 El、 E2接到分离运 算器23的输入端N1、 N2、 El、 E2，分离运算器23输出的振幅信号NZ、 nl、 el接到故障 信息处理器的AD接口对应的NZ、 nl、 el信号输入端。
为了简化故障信息处理器实时计算的工作量和机时矛盾，应当尽可能把部分运算用专 用硬件实现，其特征还在于传感器的输出信号N1、 N2、 El、 E2还接到分离运算器23的输 入端N1、 N2、 El、 E2，分离运算器23分离后的信号nl、 el、 NZ分别接到故障信息处理 器2的AD接口电路21的输入端nl、 el、 NZ， AD接口电路21将采集得到的信息Nl、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ送到分析诊断系统22进行故障诊断，(见附图3)。
附图4为一种可用于风力发电机塔架横向振动与扭转振动测量的分离运算电路框图， 由于塔架振动含有许多随机发生的甚低频振动，而且每一次振动可能都有别于其他次振 动，不能沿用对于高速旋转机械振动信号处理的、对许多次振动信号进行统计的方法来处 理，而需要针对几乎每一瞬时的振动信息作立即决策；为了提高运算的实时性，减小故障 信息处理器因上述原因需要对AD采样数据流进行实时运算的工作量、机时开销和防止因 此而影响数据处理的实时性。特别设计的分离运算电路3。其中分离运算器23含有扭转 振动NZ:[(N2-E1)- (E2-N1) ]/2运算器31, N方向振动nl=Nl+E2+NZ运算器32， E方向 振动e^El+N2-NZ运算器33，以及对NZ、 nl、 el对应的加速度振动信号运算为振幅信号 的重积分器34、 35、 36; Nl、 N2、 El、 E2传感器的输出信号接到NZ=[(N2-El) - (E2-Nl) ]/2 运算器31的输入端Nl、 N2、 El、 E2， 31的输出端JNZ接到重积分器34的输入端JNZ， 34的输出端NZ输出振幅信号NZ;传感器Nl、 E2的信号接到nl=Nl+E2+NZ运算器32的输 入端Nl、 E2，运算器31的输出端JNZ接到32的输入端JNZ， 32的输出端Jnl的输出信 号Jnl接到重积分器35的输入端Jnl， 35的输出端nl输出振幅信号nl;传感器N2、 El 的信号接到el=El+N2-NZ运算器33的输入端N2、 El，运算器31的输出端JNZ接到33的 输入端JNZ， 33的输出端Jel输出的Jel信号接到重积分器36的输入端Jel， 36的输出 端el输出振幅信号el，(见附图4)。
分离运算电路31~33的具体电路方案，旨在实现NZ=[(N2-E1)_ (E2-N1) ]/2， nl=Nl+E2+NZ， el=El+N2_NZ等运算。其特征在于，NZ=[(N2-El)- (E2-Nl) ]/2运算电路 含有运放0Pl-广0Pl-3、电阻器R1 R10，其中R1:R2:2R3， R4=R5=2R6, R7=R8， R9=R10，
13特别是Nl信号接到Rl的一端Rl的另一端接0P1-1的负输入端，N2信号接R2的一端， R2的另一端接0P1-1的副输入端，0P1-1的输出端与负输入端之间接电阻R3， 0P1-1的正 输入端接地，0P1-1的输出为-(Nl+N2)/2; E1信号接到R4的一端R4的另一端接0P1-2的 负输入端，E2信号接R5的一端，R5的另一端接0P1-2的负输入端，0P1-2的输出端与负 输入端之间接电阻R6， 0P1-2的正输入端接地，0P1-2的输出为-(El+E2)/2; OP1-1的输 出端将信号-(Nl+N2)/2接到0P1-3的负输入端，0P1-3的负输入端与输出端之间接电阻 R8， 0P1-2的输出端将-(El+E2)/2信号接到电阻R9的一端，R9的另一端接0P1-3的正输 入端，0P1-3的正输入端与地之间接电阻R10， 0P1-3的输出为 (Nl+N2)/2-(El+E2)/2=[ (N2-E2)- (E2-N1)]/2=JNZ;
nl=Nl+E2+NZ运算器32含0Pl-4、 0P2-4、电阻器R1广R16， N1信号接电阻R11的一 端，Rll的另一端接0P1-4的负输入端，信号El接电阻R12的一端，R12的另一端接0P1-4 的另一端，信号JNZ接电阻R13的一端，R13的另一端接0Pl-4的负输入端，0P1-4的正 输入端接地，0P1-4的负输入端与输出端之间接电阻R14， 0P1-4的输出端经过电阻R15 接0P2-4的负输入端，0P2-4的正输入端接地，0P2-4的负输入端与输出端之间接电阻R16， 0P2-4的输出即是Jnl=Nl+El+JNZ;
el=El+N2_NZ运算器33含有0P2-广0P2-3、电阻器R17 R25， El信号接电阻R17的 一端，R17的另一端接0P2-1的负输入端，信号Nl接电阻R18的一端，R18的另一端接 0P2-1的负输入端，0P2-1的正输入端接地，在0P2-1的负输入端与输出端之间接电阻R19， 0P2-1的输出即是-(El+Nl);信号JNZ接电阻R20的一端，R20的另一端接0P2-2的负输 入端，0P2-2的正输入端接地，在0P2-2的负输入端与输出端之间接电阻R21, 0P2-2的 输出即是-JNZ，该-JNZ信号接电阻R24的一端，R24的另一端接0P2-3的正输入端，0P2-2-3 的正输入端还经过电阻R25接地，信号-(El+Nl)接电阻R22的一端，R22的另一端接0P2-3 的负输入端，0P2-3的负输入端与输出端之间接电阻R23，所以，0P2-3的输出信号即是 E1+N1-JNZ-Jel，所有运放0P1、 0P2的正电源端接正电源V+，负电源端接负电源V-，(见 附图5-1~5_3)。
振动加速度(量纲m/s2)信号运算为振动振幅(量纲m)的电路，其特征在于相 同的重积分器34、 35、 36各由两级相同的、基于二阶双二次带通滤波器结构的单积分器 级联组成，其每一级二阶双二次带通滤波器含有电阻器R广R6，电容器Cl、 C2，运放 0P1 0P3，第一级的加速度输入信号JNZ (或Jnl、 Jel)接电阻R1， R1的另一端接0P2的 负输入端，0P2的负输入端还经过并联的电阻R2、电容Cl接其输出端，0P2的正输入端 接地；0P2的输出端经过电阻R4接0P3的负输入端，0P3的负输入端与输出端之间接电阻 R5， 0P3的正输入端接地；0P3的输出端经电阻R6接0P1的负输入端，0P1的负输入端与 输出端之间接电容C2， 0P3的正输入端接地，0P3的输出端还经过电阻R3接到0P1的负输入端；由0P3或0P2的输出端输出的是同相或反相的准速度信号；第二级积分器的输入 电阻Rl接第一积分器输出的准速度信号，从0P3或0P2的输出端输出同相或反相的振幅 输出信号NZ (或nl、 el);电路中R4:R5可以是任意合适的电阻值，C1=C2，所有运放的 正电源端接正电源V+，所有运放的负电源端接负电源V-;每一级二阶双二次带通滤波器 结构的单积分器的谐振频率F0为所需积分运算的下限频率FT的1/3 1/5，例如1/4，积 分器对于FT以上频率的信号的传输系数原则上为每倍频程衰减6.02dB (见附图6、 7、 8)
本重积分电路具有抗拒加速度信号中的直流分量以及超低频噪声的优点，特别是具有 低频重积分精度高的优点。基于运动学，加速度信号a:Asin(2:if)t对应的振动幅度x， 是a的重积分
x= / / a dtdt= / / Asin(2 n f)t dtdt=—Asin(2 n f)t/(2 n f)2 对于正弦振动，则幅度计算简化为 X= A /(2nf)2
设正弦加速度的频率f^.5Hz，加速度峰值A4g,加速度信号灵敏度为SA=2V/g， 由于lg=9810mm/s2，所以有振幅4g/(2 n f)2=994mm。设计振幅的灵敏度SX=5V/m，则有振 幅输出=4. 97V。图7是重积器对0. 5Hz振动加速度准确积分输出振幅信号的仿真图。
重积分器的函数X: A /(2nf)2对应的每倍频程传输比是 E= [A /(2Ji2f)2]/ A /(2:if)2=l/4 传输比的级差是EdB=201ogE=-12. 0412
图8的传输特性测试图证明该重积分器有良好的重积分频率响应。
为了实现风力发电机的指向风力方向的主轴相对于东方的极坐标角J，用一个能够转 动10圈的线性"测量"电位计PI与一个"平衡"电位计P2差动工作，如附图9-l~9-8， Jl电位计用支撑在塔架上的支架固定，电位计的轴与风力发电机底座的、通过塔架中线 的位置固定(为防止对中不良，可以使用柔性轴)，Jl、 J2电位计的两端并联，接到10V 电源，电位计J1、 J2的活动臂之间输出转角信号；安装时，Jl电位计的轴旋转到1/2， 即5圈，因为底座相对塔筒的单向转角最大2.7圈，故绝不会有电位计转过头而损坏的可 能性；然后在风机主轴轴指向东方时，调节平衡电位计J2，使J1、 J2的差动输出为零； 则在底座相对塔筒每转动一周时，两个电位计相对转动为1圈；因电位计供给10V直流电 压，则每转动一周，即360度，差动输出电压为1V。附图9-广9-8分析了测量电位计正 转2. 7圈和反转2. 7圈的差动输出数据，表明该差动输出数据VM1相对于转角J的函数是:
VMl=J°/360° [V]，单位是伏特(V)， J=VMl/360 [。]。
实施例2， 一种把故障信息处理器2或者其中的AD接口电路21及分析诊断系统22
15简化为示波器实时直接观察塔架振幅的塔心轨迹方案。
其特征是用示波器部分取代故障信息处理器，把分离运算器23输出的表征塔架东西 方向振动的信号el或E1接到示波器的X轴，X轴代表东方；把分离运算器23输出的表 征塔架南北方向振动的信号nl或Nl接到示波器的Y轴，Y轴代表北方；则在塔架发生振 动时，示波器实时绘制塔架塔心的运动振幅或准加速度轨迹。例如及时显示了某转速时叶 片通过风力发电机塔架前方的气动激振力引发塔架共振的危险状况，(见如附图 10-广10-3)。
实施例3， 一种塔架故障诊断方法，当使用故障信息处理器实时采集N1、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ，用分析诊断系统(软件)22不仅实时绘制塔心轨迹如附图10-1 10-3，
(其中图10-l表示的是nhl、 bl-B振幅为O. lm并且频率相同，相位差90度。此时塔心 轨迹为一直径圆。图10-2表示的是nl=N、 bl=B振幅为0. lm，南北振动频率为东西振动 频率的3倍，受到3片叶片通过激振时。此时塔心轨迹为一 0. 2m的三扭线。图10-3表示 的是n=N、 bl=B振幅为0. lm，南北振幅频率为东西振动频率的3倍，受3片叶片通过激 振并共振，幅度为东西振动的10倍，此时塔心轨迹为南北长2m东西长0.2m的三扭线)。 还绘制塔体扭振轨迹如附图11，其特征在于还通过对于nl、 el、 yl、 xl信号的逐时间段 的FFT分析，不仅识别风轮不平衡引起的强迫振动分量的幅度，还识别由于阵风等随机因 素激发的塔架的广义共振频率，从而识别塔架系统的固有频率的漂移，进而实现对塔架潜 在隐患(刚度下降)的诊断，还实时修正原本以为固定不变的固有频率数据，为防止等于 转速频率的不平衡振动以及等于转速3倍频率的叶片通过频率振动等于变化了的固有频 率合拍共振提供了控制根据。
附图12-1 12-2所示的，是在塔架受到0. 15Hz的转子不平衡强迫振动时，因为偶然 的阵风对塔架的激励，引起振动波型扰动，被本方法分析得到当时的0. 15Hz强迫振动分 量与塔架0. 396Hz的固有频率广义共振的信息。图13-1 13-8则表明一个从启动到定速运 转过程，系统出现叶片通过塔前激振频率的共振、叶轮不平衡的共振和丁转速运转时遇到 阵风激励的两次广义共振，本发明的分析诊断系统22通过截获不同时段振动信号作FFT 分析，识别了广义共振频率约0.4Hz，证明系统一阶固有频率约0.4Hz。
实施例4，对于风力发电机塔架振动报警的限制值。
其特征还在于，对于风力发电机检测分离的振动信号nl、 el、 y、 p、 NZ的故障诊断 报警限制值按照下述方法
设传感器安装位置距地面的高度为h[m]，传感器距离塔架的旋转中心或对称中心的 半径为R[m]，转速频率为FO，
则在时间T140/F0内所述横向振动nl、 el、 y、 p的每次振动幅度峰值超过限制值
XH^.5hk/5(^0.01hk[m]则报警；k为无量纲修正系数，取值范围0. 5~2;例如k=l，则50m高塔筒横向振幅报警限制值为大于500mra。 则在时间Tl=10/F0内所述扭转振动NZ的每次扭振幅度峰值超过限制值 XN=0, lhRu/ (50*1.5) =0. 0013hRu[m]则报警。u为修正系数，量纲[l/m]，取值范围 0. 5~2;例如u=l，则50m高半径1. 5m处塔筒扭振振幅报警限制值为大于lOOmm。
主倾角的稳定值(l分钟平均值)超过限制值
XQ=10hv/50=0. 2hv [°]则报警。v为修正系数，量纲[。/m]，取值范围0. 5~2，例如
v=l。
例如50m高塔塔筒倾角报警限制值为大于10 ° 。 实施例5， 一种输电塔架冰冻灾害识别方法。
本发明用于输电塔检测诊断，在输电塔因为冻雨结冰或电缆结冰而增大了塔体系统负 载的质量M时，因为冰雪不能增强塔体的刚度K，根据机械系统固有频率规律 fO=(K/M)"'7(2 n )，阵风引起的塔体横向和/或扭转广义共振频率fg (近似于固有频率fO) 就发生向下变化，例如fg相对原有正常条件下的值下降到90%，则表明塔体负重增加到 了 1/0.92=1.235倍，或者刚度下降到了81%;设定塔架负重上限或刚度下限，就可以计算 出广义共振频率变化的限制值，本检测装置发现超值则发出警报，就可以在无人检査的条 件下，及时发现危险，以便及时抢险排故，防止事故发生。
实施例6，输电线路故障的诊断方法。
本发明对于电塔的输电电缆故障检测诊断，其特征在于通过传感器组1获取的输电塔 的输电线振动传递到电塔的信号的FFT分析，识别电缆受风摩擦产生的广义共振频率的变 化，诊断电缆负重时张力的变化、电缆拉伸、电缆断裂、电缆出现新支点等故障。
在电缆因为冻雨结冰而增大了电缆的张力时，风对于电缆的摩擦引起的电缆广义共振 (如同琴弓的马尾摩擦琴弦的共振)频率ff就可能发生向上的较小变化(如同把琴弦拉 得更紧则琴弦被摩擦振动的声调更高)，也可因为电缆被拉长而发生向下的较小变化(例 如演奏时用手指改变琴弦的长度就能改变音调)；在一个三相三线制输电电塔的支点上两 边共有6条电缆，传感器组获取6条电缆的振动信号；对于传感器组检测得到的电缆振动 信号作FFT分析，获取实时的电缆振动频率漂移，计算电缆的状况；如果其他5条电缆都 均有当时状况下的广义共振频率振动而有一条线的广义共振频率振动消失，则该电缆已经 拉断；如果广义共振振动频率大幅度增高，则该电缆出现了新的支点，例如有外物倾倒在 电缆上；诊断装置通过无线方式向管理机构报送上述信息，则可以快速确认故障部位(某 一电塔)，而无须人工进行全线巡视排査。
在上述技术方案中N1、 N2、 Bl、 B2传感器可以是归一化灵敏度的加速度传感器。
所述的N1、 N2传感器和B1、 B2传感器可以是将N1、 N2组合为一体的双轴传感器N和将Bl、 B2组合为一体的双轴传感器B。例如，本发明人申请的一种同时检测水平振动 和垂直振动与冲击的复合传感器专利技术，将其垂直轴指向北方和东方，将其水平轴指向 切线方向。
所述的N1、 N2传感器和B1、 B2传感器，可以是一种测量频率可以达到O的变电容加 速度传感器。例如，使用市售的SCA-1000传感器芯片制造的双轴传感器。
本发明的上述公式推导如下
设传感器N1、 Bl、 N2、 B2的输出信号分别是N1、 Bl、 N2、 B2，则塔架相对于其对称 中心O的扭振信号的算式为-
NZ=[(N2-B1)- (B2-Nl) ]/2， (1)
顺时钟方向为正。该式考虑了N2和B2传感器在敏感扭转振动的同时，还敏感了 (Bl 所敏感的)塔架东西方向的振动和(Nl所敏感的)南北方向的振动，Nl、 Bl传感器则没 有敏感扭转振动。
塔架整体真实的横向振动算式是
nl=Nl+B2+NZ， (2)
bl=Bl+N2-NZ， (3)
用二个传感器N1、 B2的数据运算获取nl以提高数据的可靠性，但须剔除B2所敏感 的反向的扭振；用二个传感器N2、 B2的数据运算获取bl以提高数据的可靠性，但须剔除 N2所敏感的正向的扭振。前人的检测技术通常只设置一个传感器组入N1、 N2或者Bl、 B2， 并直接以N1或B2的数据表征南北振动、以B1或N2的数据表征东西振动，而又没有将传 感器组N1、 N2和B1、 B2安装在塔架的对称回转中心，因此检测结果往往存在错误，而失 去必要的实用性。
诊断软件根据真实的nl、 bl的交变分量进行谱分析，识别塔架的横向固有频率、并 据该固有频率的漂移以及振动的非线性特征识别塔架的疲劳及连接件的间隙性局部松动
等故障。
在故障信息处理器中运算获取塔架横向振动在受力方向Y轴的振动分量的算式是 y=bl conj+nl sinj ， (4)
获取塔架横向振动在Y轴的正交方向X轴(与Y垂直向右)的振动分量的算式是 P=bl sinj+nl conj ， (5)
传统检测技术由于没有设置角度传感器J，所以不能区分固定的塔架的振动bl、 nl 与塔架上安装的可以绕塔架对称中心旋转的载体主轴或者受力方向的以及与该方向正交 的方向的振动分量y、 P;由于本发明设置了方向角J检测传感器，从而实现了区分固定 的塔架的振动bl、 nl与塔架上安装的可以绕塔架对称中心旋转的载体主轴或者受力方向 的以及与该方向正交的方向的振动分量y、 p，识别受力方向或载体主轴方向的振动因素， 如风力发电机的高低空或/和左右风速差异引起的、叶轮不平衡引起的、叶片通过塔架前
18方气动激振引起的振动和扭振，实现全面的故障诊断。
设传感器N的N1轴输出的直流电压是N1， N2轴输出的直流电压是N2， N2轴向东X， N1轴向北Y，相对于东方的倾斜方向为F，相对于水平面的倾斜角度为Q，则有
若N1轴倾角Q1，则传感器敏感到的重力加速度分量是Nl=g sinQl，
故可以计算Q1角度Q^sin—'(Nl/g)
若N2轴倾角Q2，则传感器敏感到的重力加速度分量是N2=g sinQ2， 故可以计算Q2角度Q2=sin—、N2/g)
如附图2，设传感器所在的以塔心为原点的圆之半径为R，塔架倾斜的主方位角为F， 最大倾角为Q。则可计算得到
主对边高ZD=RsinQ; Y对边高:YD=RsinFsinQ， X对边高:XD=RconFsinQ。
则Y倾角:Ql :sirT'(YD/R):sin—乂sinFsinQ) [1]
则X倾角Q2 :sii^(XD/R):sin—'(conFsinQ) [2]
反演算，由[l]、 [2]式测定的Q1、 Q2计算方向角F和主倾角Q:
SinQl = sinFsinQ [3]
SinQ2 = conFsinQ [4] / [4]得到:sin F/conF=sinQl/sinQ2=tgF 所以有根据传感器组N1、 N2计算的主方位角 F=tg-l(sinQl/sinQ2) =tg—1 ((Nl/g)/( N2/g)) F=tg_1(Nl/N2) (6-1) * [4]得到sinQl*sinQ2=sin2Q*sinF*conF=0. 5 sin2Q*sin2F SinQ= (2 sinQl*sinQ2/sin2F)°.5= (2*Nl/g*N2/g/sin2F)°'5= (2NlN2sin2F)05/g 所以有根据传感器组N1、 N2计算的主倾斜角 Q=sin—'((2NlN2sin2F)。Vg ) (7-1) 根据传感器组Bl、 B2的信息则有 塔架的倾斜的主方位角 F= tg-1(B2/Bl) (6-2) 塔架的倾斜的主倾斜角 Q=sin—'((2BlB2sin2F)。7g ) (7-2)
原则上，根据N、 B两组传感器测定结果和式(6-2)、 (6-2)以及式(7-1)、 (7-2)计算 的结果是相同的。如果计算结果相近，则可以取两两式结果的平均值作为结论。诊断软件 根据分离的主方向角F和主倾斜角Q的稳定分量识别塔架稳态基础的倾向性松动或塔身刚 度的变异，根据交变分量进行谱分析识别塔架的横向固有频率、并据该固有频率的漂移以 及振动的非线性特征识别塔架的疲劳及连接件的间隙性局部松动等故障。
如果根据两组传感器检测数据计算得到的两组塔架倾斜方位角F和主倾斜角Q的稳定分量相差甚远，则可以判断其中一个传感器可能有故障，如安装松动或者失效。还可以根 据N1、 B2和N2、 Bl传感器直接输出的稳定加速度信号分量计算的塔架南北、东西方向的 倾斜之是否基本相等和是否超出了塔架最大可能倾斜的范围而识别而识别传感器的故障。 藉此可以对检测传感器的自身故障实现自我诊断。
所述的检测外作用Y方向相对塔架东西方向并以东方为参考之极坐标传感器J可以是 直接敏感外力作用方向如风向传感器，也可以是一种测定己经指向外作用力方向的机械与 塔架基座之间夹角的间接敏感外力作用方向的传感器入转角传感器。
权利要求
1、一种机械塔架故障诊断技术，其特征在于含有包括振动或/和稳态加速度检测传感器以及受力方向检测传感器的传感器组(1)、采集传感器组信号和对传感器组的信号进行分析诊断的故障信息处理器(2)，把传感器组(1)检测的信号通过电缆传输给故障信息处理器(2)，并故障信息处理器(2)所含硬件采集信号后经其所含相应软件进行分析诊断及处理。
2、 根据权利要求1所述的一种机械塔架故障诊断技术，其特征在于A、 传感器组(1)含有安装在塔架上层、按照东南西北地理坐标设置，使敏感塔架整 体在南北方向振动的加速度传感器(Nl)与东西方向振动的加速度传感器(El)，以及使 敏感塔架绕其对称中心O显现扭转振动的加速度传感器(N2、 E2)和检测外作用Y方向 相对塔架东西方向并以东方为参考之极坐标的传感器(J);敏感东西、南北横向振动的传 感器(El、 Nl)和敏感扭转振动传感器(E2、 N2)与塔架对称中心O等距离安装；敏感 南北振动的传感器(Nl)的敏感轴指向北方N，敏感东西方向振动的传感器(El)的敏 感轴指向东方E;敏感南北振动的传感器(Nl)与敏感扭转振动的传感器(N2)安装在 同一位置，敏—感东西振动的传感器(El)与敏感扭转振动的传感器(E2)安装在同一位置； 并且敏感扭转振动的传感器(E2)的敏感轴指向传感器安装位置相对塔架对称中心之距离 为半径R的圆的反时针切线方向，敏感扭转振动的传感器(N2)的敏感轴则指向传感器 安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的顺时针切线方向；B、 故障信息处理器(2)含有AD接口电路(21)，还含有由微处理器运行的分析诊 断系统(22);各传感器输出的加速度信号(Nl、 N2、 El、 E2、)及受力方向角的信号(J) 分别接到故障信息处理器(2)的AD接口电路(21)的对应输入端(Nl、 N2、 El、 E2、 J)，并对AD接口输出的加速度信号N1、 N2、 El、 E2、受力方向角的信号J由故障信息 处理器的分析诊断系统(22)中的软件按照公式NZ=[(N2-E1)- (E2-N1) ]/2计算塔架 相对于其对称中心0的扭振信号；按照公式nl=Nl+E2+NZ和公式el=El+N2-NZ计算塔架整 体真实的横向振动按照公式y二el conj+nl sinj计算塔架横向振动在受力方向Y轴的 振动分量；按照公式P-el sinj+nl conj塔架横向振动在Y轴的正交方向X轴(与Y垂 直向右)的振动分量；并且根据传感器(Nl、 N2)的信息及计算式F- tg—、Nl/N2)、根据 传感器(El、 E2)的信息及计算式F二 tg—'(E2/E1)计算获取塔架的倾斜的主方位角；根据 传感器(Nl、 N2)的信息及计算式Q=sin-"(2隨sin2F)。Vg )、根据传感器(El、 E2) 的信息及计算式Q=sin—'((2ElE2sin2F)。'5/g )获得塔架的倾斜的主倾斜角。
3、 根据权利要求1或2或3所述的一种机械塔架故障诊断技术，其特征在于所述 故障信息处理器(2)还含有实现相对地理坐标N、 E的N轴方向的振动加速度Jnl、 E轴方向的振动加速度Jel以及相对塔架对称中心的垂直线的扭转振动加速度JNZ分离的，并 将对应的加速度信号JNZ、 Jnl、 Jel运算为振幅的"分离运算器"(23);传感器加速度信 号(Nl、 N2、 El、 E2)接到分离运算器(23)的输入端(Nl、 N2、 El、 E2)，分离运算 器输出的振幅信号NZ、 nl、 el接到故障信息处理器的AD接口对应的NZ、 nl、 el信号 输入端；AD接口电路(21)将采集得到的信息(Nl、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ)送 到分析诊断系统(22)进行故障诊断。
4、 根据权项1或4所述的一种机械塔架故障诊断技术，其特征在于所述分离运算 器(23)含有按照计算式NZ=[(N2-E1)- (E2-N1) ]/2计算扭转振动的运算器(31)、按照 计算式nl=Nl+E2+NZ计算N方向振动的运算器(32)，按照计算式el=El+N2-NZ计算E 方向振动的运算器(33)，以及对NZ、 nl、 el对应的加速度振动信号运算为振幅信号的 重积分器(34、 35、 36); Nl、 N2、 El、 E2传感器的输出信号接到按公式NZ=[(N2-E1)-(E2-N1) ]/2设计的运算器(31)的输入端(Nl、 N2、 El、 E2)，运算器(31)的输出端 JNZ接到重积分器(34)的输入端JNZ，重积分器(34)的输出端NZ输出振幅信号NZ; 传感器(Nl、 E2)的信号接到按公式n^Nl+E2+NZ设计的运算器(32)的输入端N1、 E2，运算器(31)的输出端JNZ接到运算器(32)的输入端JNZ，运算器(32)的输出 端Jnl的输出信号Jnl接到重积分器(35)的输入端Jnl，重积分器(35)的输出端ril输 出泰幅信号nl;传感器N2、 El的信号接到按公式el=El+N2-NZ设计的运算器(33)的 输入端N2、 El，运算器(31)的输出端JNZ接到运算器(33)的输入端JNZ，运算器(33) 的输出端Jel输出的Jel信号接到重积分器(36)的输入端Jel，重积分器(36)的输出 端el输出振幅信号el。
5、 根据权利要求5所述的一种机械塔架故障诊断技术，其特征在于按照公式 NZ呵(N2-El)-(E2-Nl)]/2设计的运算器(31)含有运放(OPl-l OPl-3)、电阻器(R1 R10)， 其中电阻器RHR2二2R3， R4=R5=2R6， R7=R8， R9=R10;并且N1信号接到电阻器(Rl) 的一端，电阻器R1的另一端接运放(OP1-1)的负输入端，N2信号接电阻器(R2)的一 端，电阻器(R2)的另一端接运放(OP1-1)的副输入端，运放(OP1-1)的输出端与负 输入端之间接电阻器(R3)，运放(0P1-1)的正输入端接地，运放(0P1-1)的输出为(N1+N2) /2; El信号接到电阻器(R4)的一端，电阻器(R4)的另一端接运放(OP1-2)的负输入 端，E2信号接电阻器(R5)的一端，电阻器(R5)的另一端接运放(OP1-2)的负输入 端，运放(0P1-2)的输出端与负输入端之间接电阻器(R6)，运放(0P1-2)的正输入端 接地，运放(OP1-2)的输出为-(El+E2) /2;运放(0P1-1)的输出端将信号-(Nl+N2) /2接到运放(OP1-3)的负输入端，运放(0P1-3)的负输入端与输出端之间接电阻器(R8)， 运放(0P1-2)的输出端将-(El+E2) /2信号接到电阻器(R9)的一端，电阻器(R9)的 另一端接运放(OP1-3)的正输入端，运放(0P1-3)的正输入端与地之间接电阻器(R10)，运放(OP1-3)的输出为(7W +iV +￡2 -￡"，墨两/2=皿；按照公式nl=Nl+E2+NZ设计的运算器(32)含运放(OPl-4、 OP2-4)、电阻器 (R11 R16)， Nl信号接电阻器(R11)的一端，电阻器(R11)的另一端接运放(0P1-4) 的负输入端，信号E1接电阻器(R12)的一端，电阻器(R12)的另一端接运放(0P1-4) 的另一端，信号JNZ接电阻器(R13)的一端，电阻器(R13)的另一端接运放(OP1-4) 的负输入端，运放(0P1-4)的正输入端接地，运放(0P1-4)的负输入端与输出端之间接 电阻器(R14)，运放(0P1-4)的输出端经过电阻器(R15)接运放(OP2-4)的负输入端， 运放(OP2-4)的正输入端接地，运放(OP2-4)的负输入端与输出端之间接电阻器(R16), 运放(OP2-4)的输出即是Jnl=Nl+El+JNZ;按照公式el=El+N2-NZ设计的运算器(33)含有运放(OP2-l OP2-3 )、电阻器 (R17 R25)， El信号接电阻器(R17)的一端，电阻器(R17)的另一端接运放(0P2-1) 的负输入端，信号N1接电阻器(R18)的一端，电阻器(R18)的另一端接运放(0P2-1) 的负输入端，运放(0P2-1)的正输入端接地，在运放(0P2-1)的负输入端与输出端之间 接电阻器(R19)，运放(0P2-1)的输出即是-(E1+N1);信号JNZ接电阻器(R20)的 一端，电阻器(R20)的另一端接运放(OP2-2)的负输入端，运放(OP2-2)的正输入端 接地，在运放(OP2-2)的负输入端与输出端之间接电阻器(R21)，运放(OP2-2)的输 出即是-JNZ，该-JNZ信号接电阻器(R24)的一端，电阻器(R24)的另一端接运放(OP2-3) 的正输入端，运放(OP2-3)的正输入端还经过电阻器(R25)接地，信号-(El+Nl)接电阻 器(R22)的一端，电阻器(R22)的另一端接运放(OP2-3)的负输入端，运放(OP2-3) 的负输入端与输出端之间接电阻器(R23)，所以，运放(OP2-3)的输出信号即是 El+Nl-JNZ=Jel，所有运放运放(0P1、 0P2)的正电源端接正电源V+，负电源端接负电 源V-。
6、根据权利要求5所述的一种机械塔架故障诊断技术，其特征在于相同的重积分 器(34、 35、 36)各由两级相同的、基于二阶双二次带通滤波器结构的单积分器级联组成， 其每一级二阶双二次带通滤波器含有电阻器(R1 R6)，电容器(C1、C2)，运放(0P1 0P3)， 其中第一级的加速度输入信号JNZ (或Jnl、 Jel)接电阻器(Rl)，电阻器(Rl)的另一 端接(0P2)的负输入端，运放(OP2)的负输入端还经过并联的电阻器(R2)、电容器(C1) 接其输出端，运放(0P2)的正输入端接地；运放(0P2)的输出端经过电阻器(R4)接 运放(OP3)的负输入端，运放(OP3)的负输入端与输出端之间接电阻器(R5)，运放(OP3) 的正输入端接地；运放(0P3)的输出端经电阻器(R6)接0P1的负输入端，运放(0P1) 的负输入端与输出端之间接电容器(C2)，运放(0P3)的正输入端接地，运放(0P3)的 输出端还经过电阻器(R3)接到运放(0P1)的负输入端；由运放(0P3)或运放(0P2) 的输出端输出的是同相或反相的准速度信号；第二级积分器的输入电阻器(Rl)接第一积分器输出的准速度信号，从运放(OP3)或运放(OP2)的输出端输出同相或反相的振幅 输出信号NZ(或nl、el);电路中电阻器114=115可以是任意合适的电阻值，电容器C1《2， 所有运放的正电源端接正电源V+，所有运放的负电源端接负电源V-;每一级二阶双二次 带通滤波器结构的单积分器的谐振频率F0为所需积分运算的下限频率FT的1/3~1/5，最 佳取值为1/4，积分器对于FT以上频率的信号的传输系数原则上为每倍频程衰减6.02dB。
7、 根据权利要求1或2~7所述的一种机械塔架故障诊断技术，其特征在于用示波 器部分取代故障信息处理器，把分离运算器(23)输出的表征塔架东西方向振动的信号el 或E1接到示波器的X轴，X轴代表东方；把分离运算器(23)输出的表征塔架南北方向 振动的信号nl或Nl接到示波器的Y轴，Y轴代表北方；则在塔架发生振动时，示波器 实时绘制塔架塔心的运动振幅或准加速度轨迹。
8、 根据权利要求1或2~7所述的一种机械塔架故障诊断技术，其特征还在于当使 用故障信息处理器实时采集Nl、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ，用分析诊断系统(22) 不仅实时绘制塔心轨迹，还绘制塔体扭振轨迹，通过对于nl、 el、 yl、 xl、 Q信号的逐时 间段的FFT分析，不仅识别风轮不平衡引起的强迫振动分量的幅度，还识别由于阵风等随 机因素激发的塔架的广义共振频率，从而识别塔架系统的固有频率的漂移，进而实现对塔 架潜在刚度下降等隐患的诊断，还实时修正原本以为固定不变的固有频率数据，为防止等 于转速频率的不平衡振动以及等于转速3倍频率的叶片通过频率振动等于变化了的固有 频率合拍共振提供了控制根据。
9、 根据权利要求1或9获2~7所述的一种机械塔架故障的振动故障诊断技术，其特 征在于对于风力发电机检测分离的振动信号nl、 el、 y、 p、 NZ的故障诊断报警限制值 按照下述方法设传感器安装位置距地面的高度为h[m]，传感器距离塔架的旋转中心或对称中心的半 径为R[m]，转速频率为F0，则在时间Tl=10/F0内所述横向振动nl、 el、 y、 p的每次振动幅度峰值超过限制值 XH^.5hk/50K).01hk[m]则报警；k为无量纲修正系数，取值范围0.5~2，最佳取值为K-1;
10.则在时间Tl=10/F0内所述扭转振动NZ的每次扭振幅度峰值超过限制值:XN-0.1hRu/ (50*1.5) =0.0013hRu[m]则报警；u为修正系数，量纲[l/m]，取值范围0.5~2;最佳取值为11=1;主倾角的稳定值(l分钟平均值)超过限制值XQ-10hv/50-0.2hv[。]则报警；v为修 正系数，量纲[。/m]，取值范围0.5~2,最佳取值为v^。
11、根据权利要求1或9或2 7所述的一种机械塔架故障诊断技术，其特征在于诊断软件根据分离的主方向角F和主倾斜角Q的稳定分量识别塔架稳态基础的倾向性松动 或塔身刚度的变异；根据主倾斜角Q的交变分量，或/和根据所述横向振动的nl、 el的交 变分量，进行谱分析，识别塔架的横向固有频率、并据该固有频率的漂移以及振动的非线 性特征识别塔架的疲劳及连接件的间隙性局部松动等故障。
12、 根据权利要求1或9或2 7所述的一种机械塔架故障诊断技术，其特征在于原 则上，根据N、 E两组传感器测定结果和式(6-2)、 (6-2)以及式(7-1)、 (7-2)计算的方 位角F和主倾斜角Q的稳定分量相差甚远，则判断其中一个传感器有如安装松动或者失效 故障，藉以对检测传感器的自身故障实现自我诊断；并根据传感器(Nl、 E2)和(N2、 El)直接输出的稳定加速度信号分量计算的塔架南北、东西方向的倾斜之是否基本相等和 是否超出了塔架最大可能倾斜的范围而识别传感器的故障；识别固定的塔架的振动el、 nl 与塔架上安装的可以绕塔架对称中心旋转的载体主轴或者受力方向的以及与该方向正交 的方向的振动分量y、 p，识别受力方向或载体主轴方向的振动因素，如风力发电机的高低 空或/和左右风速差异引起的、叶轮不平衡引起的、叶片通过塔架前方气动激振引起的振动 和扭振，进行全面的故障诊断。
13、 根据权利要求1或9或2 7所述的一种机械塔架故障诊断技术，其特征在于通 过传感器组(1)获取的输电塔的输电线振动传递到电塔的信号的FFT分析，识别电缆受 风摩擦产生的广义共振频率的变化，诊断电缆负重时张力的变化、电缆拉伸、电缆断裂、 电缆出现新支点等故障。
全文摘要
一种机械塔架振动故障诊断技术，含有包括振动或/和稳态加速度检测传感器以及受力方向检测传感器的传感器组、采集传感器组信号和对传感器组的信号进行分析诊断的故障信息处理器，把传感器组检测的信号通过电缆传输给故障信息处理器，并由故障信息处理器所含硬件采集信号后经所含的相应软件进行分析诊断及处理。由于采用多组设于特定位置的加速度传感器监控运行状态下的塔架动态状况，因此不仅能掌握塔架沿地理坐标方向的塔架所受的振动位移，而且还能有效地监测由于环境因素引起的扭转振动和塔体自身地基等因素引起的变化所带来的众多影响。同时又针对上述变化因素通过与加速度传感器配套的故障信息处理器，在保证塔架正常工作的范围内及时报警。这对于保证塔架的使用安全和提高使用寿命提供了技术支持。
文档编号G01H1/00GK101545824SQ20081003090
公开日2009年9月30日 申请日期2008年3月25日 优先权日2008年3月25日
发明者唐德尧 申请人:唐德尧