一种皮带张力自动监测系统和监测方法及风电机变桨系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种皮带张力自动监测系统，包括皮带张力检测器、控制皮带张力检测器启停的控制器、对皮带张力检测器采集的数据处理的数据处理器以及报警器，所述皮带张力检测器包括传感器、数据采集设备和自动敲击机构。本发明还公开了皮带张力自动监测方法。以及公开了包含上述皮带张力自动监测系统的风电机变桨系统和该系统中对同步带张力测定的自动监测方法。本发明可以在线自动监测皮带的张力，极大地方便了需要远程监测皮带运行状态的情况。本发明利用电磁铁原理和凸轮结构特点，实现了自动敲击皮带的动作，避免了人工敲击，节省了人力物力，经济实用。本发明变桨系统中通过定期自动测量同步带的工作状态，极大降低了风电机组存在的安全隐患。
【专利说明】-种皮带张力自动监测系统和监测方法及风电机变桨系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及皮带张力监测【技术领域】，特别是涉及一种皮带张力自动监测系统和监 测方法及风电机变桨系统。
【背景技术】
[0002] 随着风力发电机技术的日益成熟，各种成熟技术和新技术也不断应用在风力发电 机上。比如风力发电机的叶轮部分，传统的控制叶片变桨角度的动力系统是液压传动，随着 同步带技术的发展，其也应用到风机的变桨驱动系统中。同步带传动兼有齿轮（同步带轮） 传动，链传动和带传动的各自优点，不需要润滑，滑差小，无污染，噪音小，结构紧凑，运转平 稳的特点。
[0003] 但同步带传动也存在很多缺陷，如果调整不当，容易出现断齿、跳齿现象，甚至发 生断裂现象。由于风载荷不稳定，且风力发电机组容易发生振动，如果同步带安装使用不 当，很容易发生断裂、跑偏和爬齿现象。并且，随着机组的运行，由于同步带变形及机组振动 等原因引起的同步带张力改变，都会造成严重后果。在大型风力发电机机组上，目前尚没有 针对同步带驱动的变桨系统的状态检测系统。对于直驱机组来说，叶片气动刹车是关键的 控制系统，如果三支叶片的变桨驱动都失效的话，将带来灾难性后果。即使一只叶片的同步 带损坏从而导致变桨驱动失效，也将给机组设备带来严重损坏，造成较大经济损失。
[0004] 目前同步带张紧力的测试都是使用便携式皮带张力仪（Tension Meter)获得， 如附图1可见，通过敲击张紧的同步带2以便使它以固有频率震荡，该静态的固有频率在 脉冲光波的辅助下被传感器1测量出来。同步带的张紧力通过下面公式计算得到：T = 4XmXL2Xf2
[0005] T=皮带张力，单位：N
[0006] m =皮带线重量，单位：kg/m
[0007] L =未固定段的皮带长度，单位：m
[0008] f =未固定段的皮带固有频率，单位：Hz
[0009] 现阶段应用于风力发电机变桨系统的同步带张力测试是工程师抵达风机内手工 直接测试，此方法首先需要将风机停止运行，并锁定叶轮，测试人员进入叶轮内部才可以进 行操作。另外，此方法不能做到长期实时测量，而且受到测试条件的影响，例如在恶劣天气 下有可能无法抵达风机，尤其是海上风电场，抵达风机的时间窗口更是受到限制，不能按计 划完成测试。
[0010] 由此可见，上述现有的皮带张力仪在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺 陷，而亟待加以进一步改进。如何创设一种能实现在线监测且方便可行的一种皮带张力自 动监测系统，成为当前业界极需改进的目标。
【发明内容】
[0011] 本发明要解决的技术问题是提供一种能实现在线监测且方便可行的皮带张力自 动监测系统，使其可实时监测皮带的运行状态，从而克服现有的皮带张力仪的不足。
[0012] 为解决上述技术问题，本发明提供一种皮带张力自动监测系统，包括皮带张力检 测器，所述皮带张力检测器包括用于检测皮带振动的传感器和与传感器连接的数据采集设 备，所述皮带张力自动监测系统还包括控制所述皮带张力检测器启停的控制器、对所述皮 带张力检测器采集的数据进行处理的数据处理器以及与数据处理器连接的状态报警器，所 述皮带张力检测器还包括自动敲击皮带的自动敲击机构，所述自动敲击机构固定于所述皮 带周围，所述传感器固定于所述皮带的上方或下方。
[0013] 作为进一步的改进，所述自动敲击机构包括敲击部件和敲击部件驱动机构，所述 敲击部件为敲击锤，所述敲击锤位于所述皮带的上方或下方；所述敲击部件驱动机构为电 磁铁和与电磁铁通电时相吸的铁块，所述敲击锤通过电磁铁通电时与铁块相吸实现敲击皮 带；或者，所述敲击部件驱动机构为凸轮和驱动凸轮转动的马达，所述凸轮在转动时带动所 述敲击锤发生偏移和复位，所述敲击锤偏移时实现敲击皮带。
[0014] 进一步的改进，所述数据处理器还直接与所述控制器连接。
[0015] 进一步的改进，所述皮带为同步带。
[0016] 本发明还要解决的技术问题是提供一种能在线监测的皮带张力自动监测方法，使 其对皮带的运行状态实时监测，从而克服现有的皮带张力检测器的不足。
[0017] 为解决上述技术问题，本发明提供了皮带张力自动监测系统的自动监测方法，其 监测步骤为：
[0018] (1)所述控制器控制所述皮带张力检测器开启；
[0019] (2)所述皮带张力检测器的自动敲击机构自动敲击皮带，所述传感器探测皮带的 固有频率，所述数据采集设备进行数据采集，当所述数据采集设备完成数据采集后，将数据 输出给所述数据处理器，所述控制器控制所述皮带张力检测器停止工作；
[0020] (3)所述数据处理器对所述数据采集设备传输的数据分类处理，对正常范围的数 据存储、统计；对异常数据通过所述状态报警器报警。
[0021] 作为进一步改进，上述步骤（3)中对异常数据分一级立即更换信号、二级准备备 件信号、三级持续观察信号处理，对所述一级立即更换信号通过所述状态报警器的报警器 报警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过所述状态报警器的指示灯指示。
[0022] 还提供一种进一步改进的皮带张力自动监测方法，其监测步骤为：
[0023] (1)所述控制器控制所述皮带张力检测器开启；
[0024] (2)所述皮带张力检测器的自动敲击机构自动敲击皮带，所述传感器探测皮带的 固有频率，所述数据采集设备进行数据采集，当所述数据采集设备完成数据采集后，将数据 输出给所述数据处理器，所述控制器控制所述皮带张力检测器停止工作；
[0025] (3)所述数据处理器对所述数据采集设备传输的数据分类处理，对正常范围的数 据存储、统计；对异常数据分一级立即更换信号、二级准备备件信号、三级持续观察信号处 理，对所述一级立即更换信号处理步骤为传输指令给所述控制器，重复上述步骤（1)、（2)、 (3)，结果仍为一级立即更换信号的异常数据通过所述状态报警器的报警器报警，对二级准 备备件信号、三级持续观察信号通过所述状态报警器的指示灯指示。
[0026] 本发明还解决的技术问题是提供一种能实现在线监测同步带运行状态的风电机 变桨系统，使其可实时监测同步带的工作状态，从而克服现有风电机变桨系统的不足。
[0027] 为解决上述技术问题，本发明提供一种风电机变桨系统，所述变桨系统的驱动装 置通过同步带传动，所述变桨系统包含上述的对同步带实时监测的皮带张力自动监测系 统，所述控制器与所述风电机的主控系统连接，所述皮带张力自动监测系统包含三个并列 的与三条同步带分别对应的皮带张力检测器，所述状态报警器包括三个与三条同步带相对 应的报警机构。
[0028] 进一步改进，所述三个皮带张力检测器的数据采集设备合并为一个。
[0029] 本发明还公开了上述风电机变桨系统中皮带张力自动监测系统的皮带张力自动 监测方法，监测步骤为：
[0030] (1)所述控制器向主控系统发出监测所述同步带工作状态的申请；
[0031] (2)当所述主控系统通过所述控制器的申请时，风电机组停止运行，所述控制器控 制所述皮带张力检测器开启；
[0032] (3)所述皮带张力检测器的自动敲击机构自动敲击同步带，所述传感器探测同步 带的固有频率，所述数据采集设备进行数据采集，当所述数据采集设备完成数据采集后，将 数据输出给所述数据处理器，所述控制器撤销向主控系统的申请并控制所述皮带张力检测 器停止工作；
[0033] (4)所述数据处理器对所述数据采集设备传输的数据分类处理，对正常范围的数 据存储、统计；对异常数据通过所述状态报警器的报警机构报警。
[0034] 采用上述的技术方案，本发明至少具有以下优点：
[0035] (1)本发明皮带张力自动监测系统可以在线自动监测皮带的张力，极大地方便了 需要远程监测皮带运行状态的情况。
[0036] (2)本发明中皮带张力检测器通过利用电磁铁原理和凸轮结构特点，实现了自动 敲击皮带的动作，避免了人工敲击，节省了人力物力，经济实用。
[0037] (3)本发明风力发电机变桨系统中同步带张力监测系统通过定期自动测量同步带 的工作状态，及时调整同步带的张力，极大的降低了采用此类变桨系统的风力发电机组存 在的安全隐患，提高了风力发电机机组的可靠性和可利用率，从而提高了风电场的发电量， 降低了运维成本，增加了经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下 结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0039] 图1现有的皮带张力仪工作原理示意图；
[0040] 图2本发明实施例风力发电机变桨系统中同步带张力监测系统工作原理示意图；
[0041] 图3本发明实施例风力发电机变桨系统中皮带张力检测器在轮毂中的结构示意 图；
[0042] 图4为图3的反面示意图；
[0043] 图5为图3中皮带张力检测器的局部放大图；
[0044] 图6为图4中皮带张力检测器的局部放大图。
【具体实施方式】
[0045] 参照附图2至4可见，本发明一种风力发电机变桨系统，风力发电机变桨系统中通 过同步带2传动控制叶片变桨角度。为能够实时监测同步带2的工作状态，本风力发电机 变桨系统包括同步带张力自动监测系统。同步带张力自动监测系统包括同步带张力检测器 4、控制同步带张力检测器4启停的控制器、对同步带张力检测器4采集的数据进行处理的 数据处理器以及与数据处理器连接的状态报警器。同步带张力检测器4用于检测轮毂6外 侧与变桨轴承7配合的同步带2的张力。参照附图5和6可见，同步带张力检测器4包括 位于同步带2上方感应同步带振动频率的传感器1、与传感器1连接的数据采集设备和自动 1?支击同步带2的自动敲击机构。自动敲击机构包括敲击部件3和敲击部件驱动机构5,局支击 部件3为敲击锤，敲击部件驱动机构5为电磁铁和位于电磁铁下方的固定铁块，敲击锤与电 磁铁连接位于同步带2的上方，当电磁铁通电时电磁铁与其下方的铁块相吸从而实现敲击 锤敲击同步带2。自动敲击机构的敲击部件驱动机构5也可以为凸轮和驱动凸轮转动的马 达，当开启马达带动凸轮转动时，凸轮带动敲击锤发生偏移和复位，敲击锤发生偏移时敲击 同步带2,从而完成敲击同步带2的动作。当然，传感器1的传感探头和敲击部件3可根据 同步带2的现场安装情况位于同步带2的下方。传感器1和自动敲击机构均被固定在同步 带2旁边的固定支架上。风力发电机变桨系统中针对三个叶片相对应的三条同步带2具有 三个并列的同步带张力检测器4。当然，三个同步带张力检测器4中数据采集设备可以合并 为一个，传感器1和自动敲击机构仍为三个，数据采集设备轮流读取三个传感器探头的数 据，即形成三通道的同步带张力检测器。
[0046] 上述控制同步带张力检测器4的控制器与风力发电机的主控系统通讯连接。在合 适的测试工况下，控制器向主控系统发出监测同步带2工作状态的申请，当主控系统通过 此申请时，风力发电机组停止运行，控制器发出指令，同步带张力检测器4开始对同步带2 的张力进行测定，即同步带张力检测器4的自动敲击机构自动敲击同步带2,传感器1探测 同步带2的固有频率，数据采集设备进行采集数据。数据采集设备完成数据采集后将检测 数据传输给数据处理器，控制器撤销向主控系统发出监测同步带2工作状态的申请并控制 同步带张力检测器4停止工作。
[0047] 数据处理器对数据采集设备传输的数据分类处理，对正常范围的数据存储一段时 间内的三支同步带张力的数据，并进行数据统计后输出，超出数据自动溢出；根据长期实验 的数据，可以设定不同的预警值，产生不同的报警级别。同时，依据定期存储数据采集设备 采集的均值，建立趋势数据库。对于异常数据，可以分一级立即更换信号、二级准备备件信 号、三级持续观察信号处理，对一级立即更换信号通过状态报警器的报警器报警，对二级准 备备件信号、三级持续观察信号通过状态报警器的相应指示灯指示。
[0048] 为了清楚准确的了解三条同步带各自的工作状态，状态报警器包括三个与三条同 步带相对应的报警机构。报警机构根据不同的报警级别分为报警器和不同颜色的指示灯。 [0049] 为了确保监测结果的准确性，在数据处理器和控制器之间还设有一反馈线连接， 对第一次测定结果为一级信号或可能数据错误的结果，数据处理器通过反馈线传输指令给 控制器，控制器再次发出指令同步带张力检测器4对同步带2的张力进行数据采集，采集数 据传输给数据处理器，对结果仍为一级立即更换信号的异常数据通过报警机构的报警器报 警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过报警机构的相应指示灯指示。
[0050] 本发明风力发电机变桨系统中同步带张力监测系统的作用相当于给机组的变桨 系统增加了一个反馈装置，解决了变桨系统电机旋编无反馈的问题，并且本发明不影响机 组的正常运行，且可以接入机组的安全链以及状态监测系统，起到保护和预警作用。
[0051] 本发明中同步带张力监测系统通过定期自动测量同步带的工作状态，及时调整同 步带的张力，极大的降低了采用此类变桨系统的风力发电机组存在的安全隐患，提高了风 力发电机机组的可靠性和可利用率，从而提高了风电场的发电量，降低了运维成本，增加了 经济效益。
[0052] 本发明同步带张力监测系统也可以应用到其它同步带、平皮带或三角带等皮带传 动作业的行业，如矿山传输、码头传输等。
[0053] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本 领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发 明的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种皮带张力自动监测系统，包括皮带张力检测器，所述皮带张力检测器包括用于 检测皮带振动的传感器和与传感器连接的数据采集设备，其特征在于，所述皮带张力自动 监测系统还包括控制所述皮带张力检测器启停的控制器、对所述皮带张力检测器采集的数 据进行处理的数据处理器以及与数据处理器连接的状态报警器，所述皮带张力检测器还包 括自动敲击皮带的自动敲击机构，所述自动敲击机构固定于所述皮带周围，所述传感器固 定于所述皮带的上方或下方。
2. 根据权利要求1所述的皮带张力自动监测系统，其特征在于，所述自动敲击机构包 括敲击部件和敲击部件驱动机构，所述敲击部件为敲击锤，所述敲击锤位于所述皮带的上 方或下方；所述敲击部件驱动机构为电磁铁和与电磁铁通电时相吸的铁块，所述敲击锤通 过电磁铁通电时与铁块相吸实现敲击皮带；或者，所述敲击部件驱动机构为凸轮和驱动凸 轮转动的马达，所述凸轮在转动时带动所述敲击锤发生偏移和复位，所述敲击锤偏移时实 现敲击皮带。
3. 根据权利要求1所述的皮带张力自动监测系统，其特征在于，所述数据处理器还直 接与所述控制器连接。
4. 根据权利要求1至3任一项所述的皮带张力自动监测系统，其特征在于，所述皮带为 同步带。
5. -种如权利要求1至4任一项所述的皮带张力自动监测系统的皮带张力自动监测方 法，其特征在于，监测步骤为： (1) 所述控制器控制所述皮带张力检测器开启； (2) 所述皮带张力检测器的自动敲击机构自动敲击皮带，所述传感器探测皮带的固有 频率，所述数据采集设备进行数据采集，当所述数据采集设备完成数据采集后，将数据输出 给所述数据处理器，所述控制器控制所述皮带张力检测器停止工作； (3) 所述数据处理器对所述数据采集设备传输的数据分类处理，对正常范围的数据存 储、统计；对异常数据通过所述状态报警器报警。
6. 根据权利要求5所述的皮带张力自动监测方法，其特征在于，所述步骤（3)中对异常 数据分一级立即更换信号、二级准备备件信号、三级持续观察信号处理，对所述一级立即更 换信号通过所述状态报警器的报警器报警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过 所述状态报警器的指示灯指示。
7. -种如权利要求3所述的皮带张力自动监测系统的皮带张力自动监测方法，其特征 在于，监测步骤为： (1) 所述控制器控制所述皮带张力检测器开启； (2) 所述皮带张力检测器的自动敲击机构自动敲击皮带，所述传感器探测皮带的固有 频率，所述数据采集设备进行数据采集，当所述数据采集设备完成数据采集后，将数据输出 给所述数据处理器，所述控制器控制所述皮带张力检测器停止工作； (3) 所述数据处理器对所述数据采集设备传输的数据分类处理，对正常范围的数据存 储、统计；对异常数据分一级立即更换信号、二级准备备件信号、三级持续观察信号处理，对 所述一级立即更换信号处理步骤为传输指令给所述控制器，重复上述步骤（1)、（2)、（3)，结 果仍为一级立即更换信号的异常数据通过所述状态报警器的报警器报警，对二级准备备件 信号、三级持续观察信号通过所述状态报警器的指示灯指示。
8. -种风电机变桨系统，所述变桨系统的驱动装置通过同步带传动，其特征在于，所述 变桨系统包含如权利要求4所述的皮带张力自动监测系统，所述控制器与所述风电机的主 控系统连接，所述皮带张力自动监测系统包含三个并列的与三条同步带分别对应的皮带张 力检测器，所述状态报警器包括三个与三条同步带相对应的报警机构。
9. 根据权利要求8所述的风电机变桨系统，其特征在于，所述三个皮带张力检测器的 数据采集设备合并为一个。
10. -种如权利要求8或9所述的风电机变桨系统中皮带张力自动监测系统的皮带张 力自动监测方法，其特征在于，监测步骤为： (1) 所述控制器向主控系统发出监测所述同步带工作状态的申请； (2) 当所述主控系统通过所述控制器的申请时，风电机组停止运行，所述控制器控制所 述皮带张力检测器开启； (3) 所述皮带张力检测器的自动敲击机构自动敲击同步带，所述传感器探测同步带的 固有频率，所述数据采集设备进行数据采集，当所述数据采集设备完成数据采集后，将数据 输出给所述数据处理器，所述控制器撤销向主控系统的申请并控制所述皮带张力检测器停 止工作； (4) 所述数据处理器对所述数据采集设备传输的数据分类处理，对正常范围的数据存 储、统计；对异常数据通过所述状态报警器的报警机构报警。
【文档编号】G01L5/10GK104061122SQ201410306488
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】武飞, 顾富斌 申请人:北京天源科创风电技术有限责任公司