一种风机主轴断裂检测方法及系统与流程

本发明属于信息采集和处理技术领域，特别涉及一种风机主轴断裂检测方法及系统。

背景技术：

由于国内风力发电行业起步较晚，风力发电机组的制造技术还不成熟，风力发电机组在运行阶段，经常会不断发生风力发电机组坠头的事故，这是由轮毂与主轴连接螺杆断裂造成的风机坠头事故，或主轴断裂造成的风机坠头事故，而这些断裂多为疲劳断裂，断裂振动往往从主轴表面某一局部开始，而不在中心位置，从初生裂纹开始到灾难发生过程中，均会发生多次的振动冲击，因此，有必要对主轴断裂、连接螺杆断裂等造成的断裂振动进行检测和预警。

目前，属于大数据时代，信息爆炸、信息冗余度大，信息处理成本高，常规的监控轴承振动的传感器及远程监控系统，难以发现或分析检测出这些信号，从而延误最佳补救时机，造成更进一步地次生灾害即造成塔筒倒塌的重大损失。

公开号为CN101393049A的中国专利文件，公开了一种风力发电机组振动监测及故障诊断的方法，该方法通过传感器采集风机振动信号，通过数据采集设备完成信号存储，通过组件总线模块将特征值数据发送到接收模块，并存储于数据中心，在数据中心设置阈值曲线，特征值数据持续增长，超过阈值时，接收模块进行预警。

但是这种方法是对采集的所有的风机振动信号进行分析处理，没有将风机的原始振动信号和振动冲击信号进行分离，这势必会对无用的冗余信息进行处理，不但处理起来比较复杂，而且存在检测不准确的问题，造成预警系统误报警。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风机主轴断裂检测方法及系统，用于解决现有技术中风力发电机主轴故障检测冗余大，处理不及时及不准确的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种风机主轴断裂检测方法，包括如下步骤：

1)设置至少三组传感器，每组传感器包括对称分布在风机主轴旋转中心同心圆上的两个传感器，每组传感器采集风机运行时的振动信号；

2)对每组传感器中的任一个传感器采集的风机运行时的信号进行取反处理，并对每组传感器中的任一个传感器采集的风机运行时的信号进行超前或滞后处理，使每组中两个传感器采集的风机运行信号在时间上错开，将经上述处理的每组传感器的信号进行调制合成，得到合成信号；

3)将得到的每组合成信号的幅值与设定的幅值阈值进行比较，当所述合成信号的幅值大于设定的幅值阈值时，进行预警和/或将风机停机。

进一步地，所述每组传感器中的两个传感器采集风机运行时振动信号的时间间隔小于设定的时间阈值。

进一步地，当所述合成信号的幅值连续两次大于设定的幅值阈值后时，进行预警和/或将风机停机。

进一步地，发生预警时，仅保留预警前传感器采集的设定时间的风机运行信号。

进一步地，当其中一组传感器合成信号幅值超过设定的幅值阈值时，将该组传感器中的信号幅值最大的传感器所在的位置判断为风机主轴发生断裂异常的部位。

进一步地，当两组传感器合成信号幅值超过设定的幅值阈值时，确定每组传感器中信号幅值最大的传感器，将所确定的两个传感器之间的位置判断为风机主轴发生断裂异常的部位。

本发明还提供了一种风机主轴断裂检测系统，包括信号调制合成记录仪、数据传输线路、预警装置和至少三组传感器，每组传感器包括用于对称设置在风机主轴旋转中心的同心圆上的两个传感器，各传感器用于采集风机运行时的振动信号，所述各传感器与所述数据传输线路连接，所述数据传输线路用于通过中心滑环与所述信号调制合成记录仪连接，所述信号调制合成记录仪与预警装置连接，所述信号调制合成记录仪用于对每组传感器中的任一个传感器采集的风机运行时的信号进行取反处理，并对每组传感器中的任一个传感器采集的风机运行时的信号进行超前或滞后处理，使每组中两个传感器采集的风机运行信号在时间上错开，将经上述处理的每组传感器的信号进行调制合成，得到合成信号。

进一步地，所述各组传感器均匀设置在风机主轴的旋转中心的同心圆上。

进一步地，所述各传感器在设置时需保证每个风机叶片的根部至少有一个传感器。

进一步地，当其中一组传感器合成信号幅值超过设定的幅值阈值时，将该组传感器中的信号幅值最大的传感器所在的位置判断为风机主轴发生断裂异常的部位。

进一步地，当两组传感器合成信号幅值超过设定的幅值阈值时，确定每组传感器中信号幅值最大的传感器，将所确定的两个传感器之间的位置判断为风机主轴发生断裂异常的部位。

本发明的有益效果是：

本发明提供的风机主轴断裂检测方法，通过将采集的风机运行时的振动信号经过取反和超前或滞后环节处理后得到合成信号，使得正常信号的幅值控制在0的水平，当合成信号的幅值大于超过设定的幅值阈值时，进行预警和/或将风机停机，提高了对风机主轴等旋转类零部件断裂检测的准确度，降低了对风机故障检测的复杂度。

本发明提供的风机主轴断裂检测系统，通过将振动传感器均匀设置在风机旋转表面回转中心的同心圆上，并呈对称分布，有利于断裂方位的检测；利用该系统将采集的风机运行时的振动信号经过取反和超前或滞后环节处理后得到合成信号，使得正常信号的幅值控制在0的水平，当合成信号的幅值大于超过设定的幅值阈值时，进行预警和/或将风机停机，提高了对风机主轴等旋转类零部件断裂检测的准确度，降低了对风机故障检测的复杂度。

附图说明

图1为本发明的振动传感器对称阵列布局的示意图；

图2为风机主轴沿A组传感器的剖面图；

图3为风机运行时的振动信号各处理环节的示意图；

图4为本发明的风力发电机组的故障检测系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

依据张衡地动仪的阴阳八卦阵列，或依据蜘蛛八条腿检测八卦阵网的振动时序和方位原理，由于风机坠头断裂的部位在主轴的非中心部位，而张衡地动仪能有效地检测周边的地震状况，从而可以依据其阵列布局。对于没有发生振动的情况，因其地动仪的阴阳八卦关于中心对称，而处于平衡状态，没有(地震)信息输出，从而有效地减少信息量和信息处理成本。

本发明的风机主轴断裂检测系统，包括信号调制合成记录仪、数据传输线路、预警装置和至少三组传感器，每组传感器包括用于对称设置在风机主轴旋转中心的同心圆上的两个传感器(类似关于蜘蛛中心对称的两条腿)，各传感器用于采集风机运行时的振动信号，各传感器与数据传输线路连接，数据传输线路用于通过中心滑环与信号调制合成记录仪连接，信号调制合成记录仪与预警装置连接，信号调制合成记录仪与预警装置连接，信号调制合成记录仪设置在风机机舱控制柜中。

为了提高检测性能，按照张衡地动仪的阴阳八卦阵列，各组传感器均匀设置在风机主轴的旋转中心的同心圆上，各传感器在设置时需保证每个风机叶片的根部至少有一个传感器。

本实施例中的预警装置为风机的PLC和SCADA系统，由于检测部位为旋转的主轴端面，不同于通常SCADA系统中的齿轮箱等静止表面，需要利用旋转传输线路对拾取的振动信号进行特别的传输设计。在与轮毂连接的风机主轴端面，如图1所示，关于风机主轴的旋转中心对称的同心圆上均匀布置3组，3组振动传感器组成对称分布的拾振阵列，1是A组振动传感器、2是B组振动传感器、3是C组振动传感器，4是风机叶片，其中至少有一个振动传感器位于某一风机叶片的根部附近，且本实施例采用常规的3叶片水平轴风力发电机组，则有3个传感器在3个叶片的根部位置，如图2所示，为沿A组传感器的剖面图，其中，5为检测风机主轴与轮毂连接螺杆断裂的传感器，6为风机主轴与轮毂连接螺杆，7为风机主轴，8为风机中心滑环。

本发明的风机主轴断裂检测方法的实施例：

1、设置三组传感器，每组传感器包括对称分布在风机主轴旋转中心同心圆上的两个传感器，每组传感器采集风机运行时的振动信号，通常振动传感器的输出信号为电压或电流信号，其中，电流大小为4-20mA。

2、对每组传感器中的任一个传感器采集的风机运行时的信号进行取反处理，并对每组传感器中的任一个传感器采集的风机运行时的信号进行超前或滞后处理，使每组中两个传感器采集的风机运行信号在时间上错开，将经上述处理的每组传感器的信号进行调制合成，得到合成信号。

以其中一组传感器A1和传感器A2为例，如图2中的1-1和1-2分别代表传感器A1和传感器A2，数据传输线路通过主轴中心和中心滑环系统将信号传输至风机机舱控制柜中；信号调制合成记录仪可以将数据传输来的信号进行时域的连续信号进行调制合成，信号调制合成记录仪设置在风机机舱控制柜中，如图2和图4所示。

该调制合成过程指将传感器A1或A2采集的信号首先进行取反处理，得到信号A1′或A2′，为保证有用的断裂冲击信号不被处理，对每组传感器的任一个传感器采集的风机运行时的信号进行超前或滞后时效环节的处理，避免有用的信号被对冲湮灭，并且得到信号的二次确认，从而保证有用信号凸显，并且每组传感器采集风机运行时振动信号的时间间隔小于设定的时间阈值，如对信号A2′进行超前或滞后环节，得到信号A2″，再作相位和幅值的调整，即将传感器的A1′信号与A2″信号相加，得到合成信号，如图3所示。对合成信号中的幅值设置阈值，其中正常信号的幅值几乎为0，或小于设定阀值，从而消除正常运行中的振动信号，即消除了常规信号，因此对合成信号中的大部分信号进行了消减剔除；则合成信号中幅值大于设定阈值的信号为振动冲击信号，此时进行预警和/或将风机停机。此时将预警前的设定时间的数据，比如仅把预警前10分钟的数据进行保存，对保存的数据进行处理，分析发生主轴断裂的原因，对低于设定幅值阈值的数据将仅保留10分钟数据的信息进行循环刷新，从而有效减少信息量和信息处理成本。由于风机出现断裂坠头的振动冲击信号被超前或滞后，而在时序上错开，不能够被消减，从而从时序上得到一强一弱或一弱一强或同等强度的两个幅值相反的信号，从而指明断裂的部位在表面的方位，和信号得到放大显现的二次确认。

监控采集比对的是三组或四组调制后的共同信号，当其中一组或多组合成信号幅值突然增大时，再将该组信号中的两个信道中的10分钟记录数据进行就地保存和上传，其中幅值最大的那个传感器的位置，就像张衡地动仪中铜球下落显示的振动方位一样，可以确定发生断裂异常的部位；或者，当出现两组合成信号幅值突然增大或几乎同时发生时，分离该2组信号中的4个信道中预警前10分钟的数据进行就地保存和上传，确定每组传感器中信号幅值最大的传感器，将确定的两个传感器之间的位置确定为发生断裂异常的部位。

3、当从对称的传感器中采集、传输和比对控制后得到的信号幅值大于设定的阀值2次后，触发风机的PLC和SCADA系统告警，并将风机停机，待人员登机确认属于误报后，方可增加触发停机的频次为3，并备案记录。

4、根据上述步骤中得到的主轴可能发生的部位的诊断，对该部位的螺杆连接、主轴应力集中区等进行排查，必要时进行超声波探伤或射线探伤、主轴裂纹处打磨裂纹或返厂等处理，预防风机坠头的发生，减少进一步的人员安全和财产损失。

上述实施例中，对风机运行时的信号的调制合成，也可以在A/D转化后，采用专用的DSP数字信号处理器处理后，再对风机运行时的信号进行调制合成。

本发明与现有技术相比，能够有效地对风力发电机组主轴断裂或螺杆断裂造成的风机坠头事故进行防范和监控；充分利用了主轴断裂或螺杆断裂往往从旋转中心外侧的表面开始发生，振动传感器均匀设置在旋转表面回转中心的同心圆上，阴阳对称，有利于断裂方位的检测；至少将一个振动传感器放置在叶片根部位置，充分利用了风机叶片运行中上下载荷不平衡的特点，有利于对断裂信号的可靠采集；通过对称信号的时域上错位和对冲消减，有利于常规信号的消减和2次凸显断裂振动信号和再确认，有利于可靠触发报警系统及时分析和处理，以及降低振动传感器的测量精度，从而降低成本；能够与PLC和SCADA报警系统方便连接和及时处理。

本实施例中，可只对每组传感器中的任一个传感器进行超前或滞后处理，或同时对A1和A2进行超前或滞后处理，但是要保证超前或滞后的时间存在时间间隔，该时间间隔要小于风轮最大转速时转动半圈所需的时间。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。