[發明專利]風力發電機組齒輪箱故障診斷方法

在審

• 申請號: 201510166216.X
• 申請日: 2015-04-09
• 公開（公告）號: CN104792520A
• 公開（公告）日: 2015-07-22
• 發明（設計）人: 郭艷平;熊宇;晏華成;宋國翠;張遠海;左紅英
• 申請（專利權）人: 中山火炬職業技術學院
• 主分類號: G01M13/02
• 分類號: G01M13/02
• 代理公司: 中山市銘洋專利商標事務所(普通合伙) 44286
• 代理人: 鄒常友

技術領域

本發明屬于風電技術領域，具體涉及一種風力發電機組齒輪箱的故障診斷方法，該故障診斷方法基于LMD和優化K均值聚類算法。

背景技術

風能作為一種可再生、無污染的新型綠色能源，已被國內外廣泛認為是一種具有巨大開發和利用前景的新型能源利用方式。在目前國際上能源短缺日益嚴重的情況下，大力發展風電技術是解決能源短缺和環境污染問題的有效途徑和必然趨勢之一。2013年，中國(不包括臺灣地區)，新增裝機容量16088.7MW，同比增長24.1％；累計裝機容量91412.89MW，同比增長21.4％。新增裝機和累計裝機兩項數據均居世界第一。

近年來，在風力發電快速發展的同時，風力發電機組安全、穩定運行逐漸引起了國內外的高度重視。目前，風力發電機組主要包括三種類型：雙饋型風力發電機組，直驅型風力發電機組和半直驅型風力發電機。雙饋型風力發電機組依靠齒輪箱來實現增速，其生產技術較成熟，該種風力發電機是目前的主流機型。直驅機型是沒有齒輪箱的，它避免了由于齒輪箱而造成的高故障率和維修成本的下降，但直驅機型也有其不可避免的缺點：永磁發電機型所需的稀土資源少、直驅機組的電機重量大造成運輸裝配十分困難等，ENERCON公司在漢堡的一臺6WM機型，吊裝耗時長達3個月之久。半直驅風機結合了雙饋機型和直驅機型的優勢，在滿足傳動和載荷設計的同時，結構更為緊湊，重量輕。2011年歌美颯推出的最新的G10X-4.5MW風電機，采用兩檔變速箱加永磁同步發電機；維斯塔斯推出的最新V164-7.0MW風電機的齒輪箱也采用3級增速改為2級增速，電機技術也采用了永磁技術；在國內，金風科技3MW的風電機也采用了半直驅技術，考慮到風電機組大型化的趨勢，半直驅的時代可能正在到來。因此，針對雙饋機型和半直驅機型的齒輪箱故障進行研究有重要的理論指導價值和工程應用意義。

由于風電機多位于野外，要經受各種惡劣天氣、風速風向變化無常所產生的沖擊載荷和工況不斷變化等因素的影響，根據1997-2005年期間四個風場(瑞典兩個風場、芬蘭一個風場和德國一個風場)的數據，齒輪箱成為風力發電機組故障率較高的部件之一，由齒輪箱故障所造成的停機時間所占比例最大，約占總停機時間為32％。風力發電機齒輪箱一旦發生故障，其拆裝、運輸及維修費用高達近100萬元，海上風力機的拆裝還要動用大型輪船和坦克吊車，甚至直升機，其維修和維護成本更高。因此，對風力發電機組齒輪箱的在線監測和故障診斷必須引起足夠的重視，才能進一步減少風電場的維護成本、增加風電場的效率。可見，在風力發電機組中有齒輪箱故障引起的停機時間最長，所以對風力發電機組中的齒輪箱故障進行研究具有重要意義。

在中國，2012年07月11日公開的申請號為102564568A，名稱為“大型旋轉機械復雜工況下的早期故障搜索方法”的發明公布了一種用于能源、鋼鐵、煤炭、運輸等行業的大型旋轉機械設備的早期故障搜索方法，此系統通過對振動時間序列進行預處理、提取故障特征因子、故障征兆匹配等環節實現早期故障危險點的搜索。由于風力發電機組多位于野外，要經受各種惡劣天氣、風速風向變化無常所產生的沖擊載荷和工況不斷變化等因素的影響，采集的振動信號含有很多的背景噪聲，因此常規旋轉機械故障監測方法在風力發電機組上的應用效果不理想。

發明內容

基于背景技術中所提及的問題，本發明考慮風力發電機組齒輪箱振動信號的非平穩特征、故障程度識別與故障部位診斷等重要因素，提出了一種基于LMD(Local?mean?decomposition，局部均值分解)和優化K均值聚類算法的風力發電機組齒輪箱故障診斷方法，具體方案如下：

本發明的方法包括以下步驟：

步驟1：采用振動加速度傳感器采集原始振動信號，測點包括：齒輪箱輸入軸軸承、齒輪箱行星齒輪側、齒輪箱中間軸側、齒輪箱高速軸軸承各自的水平和垂直位置；

步驟2：對采集到的原始振動信號按時間標簽提取n個樣本點，對提取到的原始振動信號x(t)進行LMD方法分解，可得若干個瞬時頻率具有物理意義的PF分量，即