一种基于静电感应原理的风力发电齿轮箱磨损在线监测系统的制作方法

本实用新型属于工业设备检测仪器领域，特别涉及一种基于静电感应原理的风力发电齿轮箱磨损在线监测系统。

背景技术：

齿轮箱是大型风力发电机系统的核心部件，由于风电齿轮箱特殊的工作要求，搭载该系统的设备工作环境往往十分恶劣，使齿轮传动系统中的齿轮副和支承轴承等主要部件很容易受到损害而出现故障。

目前，针对齿轮箱的状态监测方法根据监测方式的不同，主要有振动监测、温度监测、声信号监测和油液分析等。

振动监测是一种十分有效的机械设备故障监测和诊断的方法，当传动系统发生异常或故障时，振动信号的频率成分和幅值等会发生相应的变化。

温度监测技术是利用测量零部件工作温度的方式，对机械设备的发热状态进行监测，从而判断设备的技术状态。被监测对象温度异常（超标或过低）意味着产生了故障或可能引起故障。温度与机械设备的运行状态密切相关，所以温度监测与诊断技术在机械系统磨损和设备故障诊断中占有重要地位。超负荷运转，配合间隙不当、润滑不良或润滑油不符合要求等原因都会造成机件的异常磨损使相应部位的温度升高。通常一台运转中的设备，当其零部件产生故障时，会影响或破坏设备的整体或局部的热平衡，通过温度检测的方法可捕捉到温度信息的变化，检测结果是诊断设备故障性质、部位和程度的重要依据，同时也可进行故障发展趋势和设备寿命的预测。

声信号监测是指利用齿轮传动系统发出的声波信号作为信息源，通过检测声波的变化特征判别齿轮传动系统的运行状态，主要方法有噪声分析和声发射诊断技术。

油液分析技术是通过分析所监测的齿轮传动系统中在用润滑油的性能变化和携带的磨粒，对机器的润滑及磨损状态进行判断。根据油液中提取的相关信息，可以对齿轮传动系统的工况进行评估，对故障成因及类型进行诊断以及预测故障。油液监测的主要手段包括理化分析、铁谱分析、发射光谱分析、红外光谱分析等技术。

以上各类监测方法在实际工程实践的使用过程中，由于自身监测方式的原因均会受到各种各样的限制。采用振动监测方法都必须要先将振动传感器粘附在设备表面才能获取信号，由于恶劣的现场环境和安装空间的影响，使振动分析技术在应用中受到了不少限制；同时，对于齿轮传动系统内部故障，只能通过拾取外围的振动信号进行分析，信号传递路径复杂，导致信噪比低容易失真。油液分析技术中需要的磨损颗粒很难在线提取，采用离线分析则会影响系统的正常运行，从而导致诊断精度和效率的下降。据统计，油液分析与振动监测技术各自只能实现30~50%的设备故障检测率。同样温度监测和声信号监测也存在灵敏度不高、易受环境干扰、对故障不敏感等问题。在风电齿轮箱这种鲁棒性较弱的设备中，早期微弱故障的产生都可能会带来严重后果，而静电感应技术和方法对机械系统磨损状态却能实现有效的在线监测。

静电监测技术是一种基于静电感应原理的新型的在线监测技术。在机械系统中因磨损产生的磨粒，均会携带一定量的电荷，通过静电感应方法可以有效的监测到这些磨粒，因此静电监测技术可用于机械系统磨损状态的在线监测。而且由于该方法是对磨损的直接监测，相比于温度、振动等对退化二次效应的监测具有更高灵敏性，同时传感器本身结构简单，性能稳定，因而拥有很大的发展潜力。

目前还有一种基于电磁感应原理的磨损在线监测传感器也在油液监测中得到了广泛地应用。该传感器由两个反向绕制的磁场线圈，交流供电，由此产生反向磁场，在两线圈中点处磁场抵消为零，两线圈中部有另一感应线圈，当金属颗粒经过时引起磁场扰动，磁场变化值转换为输出电压值，电压幅值正比于铁磁性金属颗粒质量，以此对油液中的磨损颗粒进行监测。而这种基于电磁感应原理的在线监测技术对非铁磁性金属颗粒监测能力明显弱于铁磁性金属颗粒，且对小尺寸颗粒敏感度不够高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于设计一种基于静电感应原理的风力发电齿轮箱磨损在线监测系统，能够对各种材质以及各种尺寸范围的磨粒进行有效检测，克服了基于电磁感应原理磨损在线监测系统对微细颗粒不敏感以及不能对非铁磁性颗粒有效监测的缺陷，在风力发电齿轮箱设备的状态监测方面具有广泛的应用前景。

本实用新型提出的基于静电感应原理的风力发电齿轮箱在线监测系统包括：静电传感器、信号调理电路、信号采集装置、数据存储显示处理装置。将静电传感器安装于风电齿轮箱润滑油路当中，且位于流过过滤器之前的油路中，当油液中带电颗粒流过静电传感器时，静电传感器中的感应探极将会产生感应电荷，对其进行放大、限频、滤波、整流后，输出电压或电流信号，再经过信号采集装置A/D转换芯片等后进行存储、显示，以及后续软件算法分析。

本实用新型的测量原理如下：带电磨粒随润滑油液流动经过静电传感器时，将引起静电传感器中的金属感应探极产生感应电荷，通过信号调理电路中的电荷放大器。信号调理电路在该监测系统中具有重要的作用，由于磨损过程中磨粒荷电量微小，相应传感器感应信号也微小，需要对传感器感应信号进行放大，同时将放大电路设计在合适的频带宽度（比传感器宽）以确保使其包含在传感器信号中的所有信息都能传送到下一阶段进行分析，然后，将润滑油液中磨粒荷电量的变化转换成感应电压或电流信号输出。最后通过信号采集装置后将信号进行存储、显示或算法处理，监测滑油系统磨粒情况，综合分析风力发电齿轮箱健康状态。

本实用新型中的系统基于静电感应原理的磨损在线监测系统，该系统应用于风力发电齿轮箱上，监测风力发电齿轮箱润滑油路中的磨粒情况及整机的健康状态。将静电传感器安装于风电齿轮箱润滑油路当中，且位于流过过滤器之前的油路中，直接监测过滤器前滑油回路中的磨损颗粒，分析滑油油液品质状况。静电传感器后端的放大器电路，为电荷放大器，通过该放大器电路进行传感器感应电荷信号的放大，并转换为电压或电流信号输出。信号采集装置核心为A/D数模转换芯片，采样率要求为大于2kHz，内置带通滤波器及去工频干扰电路。

本实用新型所使用的静电传感器，由感应探极、绝缘内套管、屏蔽外套管、两端连接接头（螺纹连接或法兰连接）等部件组成，且内管道通路均采用密封式连接，满足密封性要求。静电传感器内部探极采用单探极或双探极设计，单探极传感器优势在于体积较小，双探极传感器优势在于监测精度较高。静电传感器在结构设计上集成信号调理电路，提高整体系统的一体性，减少信号线传输损耗及干扰。电路盒也采用密封性设计来应对风力发电齿轮箱的恶劣运行环境。

本实用新型所采集信号可实时传输、存储及显示。通过监测润滑油路中磨粒状况，可实时监测油液品质劣变及齿轮箱磨损状态，评估风力发电齿轮箱健康状态，提前进行故障预警及剩余使用寿命估算。

附图说明

图1是基于静电感应原理的风力发电齿轮箱磨损在线监测系统图；

图2、图3是静电传感器结构图；

图4是静电传感器安装位置图；

图5是基于静电感应原理的风力发电齿轮箱磨损在线监测系统的基本配置流程图。

具体实施方式

本实用新型公开一种基于静电感应原理的风力发电齿轮箱磨损在线监测系统及配置流程方法，为使本实用新型的目的、思路更加清楚，明确，参照实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一种基于静电感应原理的风力发电齿轮箱磨损在线监测系统，所述监测系统包括：静电传感器、信号调理电路、信号采集装置、数据存储显示处理装置；其中所述静电传感器位于风力发电齿轮箱润滑油路中，所述静电传感器的输出端与所述信号调理电路相连通过静电感应原理来感应油液中的带电磨粒，产生的感应电荷，再经过信号调理电路进行信号的放大调理；所述信号调理电路的输出端与信号采集装置相连，通过信号采集装置进行信号的采集，并将采集的数据用于显示、存储及后续分析。

所述静电传感器设置在过滤器前的滑油回路中，所述过滤器的输出端连接风力发电齿轮箱。所述静电传感器为单感应探极或双感应探极的传感器；单探极传感器优势在于体积较小，双探极传感器优势在提高监测精度。两种传感器均为中心对称结构，设有感应探极、绝缘内套管、屏蔽外套管、连接接头、信号引线接头，所述感应探极设置于绝缘内套管外侧，以传感器中心轴为对称轴对称分布；所述感应探极外部套有屏蔽外套管，在传感器两端为连接接头与润滑油路相连；在屏蔽外套管上设有用于输出信号的信号引线接头，以及电路安装盒。

所述两端连接接头为螺纹连接或法兰连接接头。

所述绝缘内套管采用密封式连接，其两端与连接接头连接处设有密封圈，满足密封性要求。

所述信号调理电路包括电荷放大电路带通滤波电路、去工频电路。

所述信号采集装置中设有A/D数模转换模块，采样率要求为大于2kHz。

该系统具有系统功能自检能力，当该监测系统运行正常时，绿色指示灯亮；当该系统本身运行状态异常或出现故障时，红色指示灯亮起。

本实用新型传感器结构采用一体设计，将放大器电路集成于传感器本体结构中，减少信号线传输损耗及干扰。电路盒采用密封性设计，应对风力发电齿轮箱的恶劣运行环境。

以下结合附图及实施对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

附图1是基于静电感应原理的风力发电齿轮箱磨损在线监测系统图。1为风力发电齿轮箱，2为润滑油路管道，3为静电传感器，4为连接部件，5为放大器电路模块，6为放大器电源，7为信号采集装置，8为数据存储显示处理装置。该系统中，静电传感器与放大器电路模块采用集成设计，并且密封，提高一体性，减少信号线传输损耗及外部环境干扰；放大器电源、信号采集装置、数据存储显示处理装置均采用外置设计，减少其对感应信号产生的干扰。附图2、图3是静电传感器结构图，图2为单感应探极传感器结构，图3为双感应探极结构。其中，9为感应探极，10为绝缘内套管，11为屏蔽外套管，12为连接接头，13为信号引线接头，14为放大器电路安装盒，15为密封圈，16为紧固螺钉，17为绝缘隔离块。附图4是静电传感器安装位置图。18为连接管路，19为静电传感器，20为滑油泵，21为过滤器，22为滑油流向指示。本实用新型基于静电感应原理的风力发电齿轮箱磨损在线监测系统的基本配置流程如附图5所示：（1）将静电传感器进行润滑油路工作环境测试，确保其密封性、抗压性、抗振性、信号抗干扰能力均满足要求。（2）使用连接部件将静电传感器安装到风电齿轮箱润滑油路管道中，并确保其安装稳定。（3）安装放大器电路及放大器电源，确保放大器指示灯正常，放大器电路能正常工作。（4）连接信号采集装置、数据存储显示处理装置至放大器电路后端，确保信号采集、存储、显示正常。（5）进行系统自检测试，确保该监测系统工作状态指示灯正常。

静电监测技术克服了基于电磁感应原理的磨粒在线监测方法的两个不足：1）对微细颗粒不敏感；2）不能对非金属颗粒有效监测。静电监测技术对零部件衰退早期磨损症兆敏感，同时提供实时监测信息，因此能够在风力发电机齿轮箱的在线监测中具有广阔的应用前景。

本专利具体应用途径很多，以上所述仅为本专利的优选实施方案，并非因此限制本专利的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，在本专利原理的前提下作出等同替换和显而易见变化所得到的方案，均应当包含在专利的保护范围内。