风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测装置及监测方法
阅读说明：本技术 风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测装置及监测方法 (Device and method for monitoring vibration reduction effect of elastic support of wind turbine generator gearbox ) 是由 蔡安民 蔺雪峰 焦冲 李媛 林伟荣 许扬 于 2021-01-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测装置及监测方法,属于风电机组状态监测技术领域,根据齿轮箱的振动特点及弹性支撑的隔振规律设计,对采集的信号进行滤波处理,分频段监测,确保监测的全面,可通过对采集的信号进行滤波和分频段处理确保监测的有效性,有针对性地分频段对振动有效值进行对比,从而掌握弹性支撑的运行状态,从而对减振效果作出有效计算,掌握弹性支撑的运行状态。计算所涉及的参数变量较少,能够大大减少计算误差,提高鲁棒性；可以在线实时监测齿轮箱弹性支持的运行状态,防止因弹性支撑失效对机组造成的损伤,实现“预测性维护”的功能,保障机组安全稳定运行。(The invention discloses a device and a method for monitoring the vibration attenuation effect of an elastic support of a gearbox of a wind turbine generator, belonging to the technical field of state monitoring of the wind turbine generator. The parameter variables involved in calculation are few, so that the calculation error can be greatly reduced, and the robustness is improved; the running state of the elastic support of the gear box can be monitored in real time on line, damage to the unit due to failure of the elastic support is prevented, the function of predictive maintenance is realized, and the safe and stable running of the unit is guaranteed.)
技术领域
本发明属于风电机组状态监测技术领域，涉及风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测装置及监测方法。
背景技术
弹性支撑在风力发电机组中主要起两方面的作用：一是支撑齿轮箱承载风电机组的载荷，这要求其刚度满足弹性支撑在机组运行时不超过一定的变形量，从而保证机组运行的稳定性；二是减振和隔振，由弹性支撑构成的弹簧-阻尼系统，减少齿轮箱运行过程中对机架的冲击，起到保护机组的作用。随着机组运行时间的增长，会出现零部件老化的现象，而弹性支撑对机架起着重要的保护作用，其隔振效果正常与否严重影响机组的安全稳定运行。风电齿轮箱具有以下振动特点：一，振动能量主要集中在各级啮合频率处，如果能有效对这些频率进行减振，那么弹性支撑就是有效的；二，工作范围在并网转速和额定转速之间(并网转速<额定转速)。弹性支撑的隔振规律：对高频具有良好的隔振效果，对低频不敏感，并且，高频振动对机架的损伤是主要的。
目前监测风电机组齿轮箱弹性支撑是否失效，主要的方式是在齿轮箱扭力臂上加装位移传感器，监测扭力臂的位移，即监测弹性支撑的变形，然后通过机组的功率和转速计算转矩，进而通过转矩与力、力臂的关系计算扭力臂上的力，最后根据弹性体刚度、位移和受力三者的关系，反推出弹性支撑的刚度，与设计刚度对比，评估其是否失效。由于风电机组的运行易受到风况的影响，其运行参数多是非平稳非线性的，采样上述方法容易产生计算误差大的情况，影响实际的评价。另外，当从位移变化检测出弹性支撑刚度出现问题的时候，说明弹性支撑已经损伤到一定程度了，具有一定的延迟。
因此，亟需发展一种对风电机组齿轮箱弹性支撑隔振效果进行监测的方法，以保证机组的安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，监测风电机组齿轮箱弹性支撑的方法计算误差较大且具有一定延迟的缺点，提供风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测装置及监测方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测装置，所述风电机组齿轮箱包括齿轮箱机架和齿轮箱，齿轮箱上安装有扭力臂，扭力臂两端的底部分别竖直安装有弹性支撑，弹性支撑的一端安装在齿轮箱机架上，另一端与扭力臂的底面连接，所述风电机组齿轮箱弹性支撑减震效果监测装置包括若干个振动加速度传感器，在扭力臂上表面的两端分别安装一个振动加速度传感器，分别为第一振动加速度传感器和第二振动加速度传感器，在齿轮箱机架的两端分别安装一个振动加速度传感器，分别为第三振动加速度传感器和第四振动加速度传感器，其中第三振动加速度传感器位于第一振动加速度传感器的正下方，第四振动加速度传感器位于第二振动加速度传感器的正下方。
一种基于所述风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测装置的监测方法，包括以下步骤：
S1：采集第一振动加速度传感器和第二振动加速度传感器的信号，获得扭力臂上的振动加速度数据；采集第三振动加速度传感器和第四振动加速度传感器的信号，获得齿轮箱机架的振动加速度数据；根据扭力臂上的振动加速度数据和齿轮箱机架的振动加速度数据计算振动有效值，并根据振动有效值计算结果计算隔振率；
S2：将S1的隔振率与预设的隔振率阈值进行比较，获得减振效果；当隔振率计算结果超出隔振率阈值时进行报警。
优选地，S1所述采集一组振动加速度传感器的信号的过程中，剔除风电机组偏航对风时段的数据。
优选地，S1中所述计算振动有效值前，包括对采集的第一振动加速度传感器、第二振动加速度传感器、第三振动加速度传感器和第四振动加速度传感器的信号分别进行带通滤波。
优选地，S1的具体过程包括：
步骤21)，设风电机组在并网转速时段的两级高频段啮合频率分别为第一级高频段啮合频率Fg1和第二级高频段啮合频率Fg2，额定转速时段的两级高频段啮合频率分别为第一级高频段啮合频率Fr1和第二级高频段啮合频率Fr2，则设置两段监测频段分别为第一监测频段[Fg1-20，Fr1+20]和第二监测频段[Fg2-20，Fr2+20]；
步骤22)，对于四个振动加速度传感器分别在采集时段T0内的信号进行带通滤波，得到第一监测频段[Fg1-20，Fr1+20]内的信号和第二监测频段[Fg2-20，Fr2+20]内的信号；
步骤23)，计算振动有效值：
式中，RV(p)sig(q)表示根据第p振动加速度传感器在第q监测频段的信号计算得到的振动有效值，p∈{1,2,3,4}，q∈{1,2}，N表示采集时段T0内的振动加速度数据的个数，V(p)i表示采集时段T0内采集的第i个振动加速度数据；
步骤24)，计算隔振率：
式中，η(q)L表示由第q监测频段的信号得到的齿轮箱左扭力臂弹性支撑的隔振率；η(q)R表示由第q监测频段的信号得到的齿轮箱右扭力臂弹性支撑的隔振率。
优选地，步骤S2所述的隔振率阈值包括第一隔振率阈值η1和第二隔振率阈值η2，将实时测得的η(1)L和η(1)R分别与第一隔振率阈值η1比较，将η(2)L和η(2)R分别与第二隔振率阈值η2比较，当有一项超出范围，则发出报警。
优选地，所述第一振动加速度传感器、第二振动加速度传感器、第三振动加速度传感器和第四振动加速度传感器的采样频率均不低于最高啮合频率的2.5倍。
优选地，第一振动加速度传感器、第二振动加速度传感器、第三振动加速度传感器和第四振动加速度传感器的采样频率均为3000Hz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测装置，在扭力臂上表面的两端分别安装一个振动加速度传感器，在齿轮箱机架的两端分别安装一个振动加速度传感器，根据风电机组齿轮箱的工作特点及振动传递规律，在齿轮箱扭力臂上和弹性支撑附近的机架上布置振动加速度传感器，有针对性地分频段对振动有效值进行对比，能够对减振效果作出有效计算，确保了监测的有效性，从而掌握弹性支撑的运行状态，保障机组的安全稳定运行；且振动机速度传感器易于安装和检修拆卸，安装简单，监测精确，实用性强。
本发明还公开了一种风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测方法，首先在齿轮箱两处扭力臂和下方机架分别布置一组振动加速度传感器，接着采集一组振动加速度传感器的信号，获得一组振动加速度数据，再根据一组振动加速度数据进行振动有效值计算，并根据振动有效值计算结果计算隔振率，最后根据隔振率计算结果与隔振率阈值进行比较，当隔振率计算结果超出隔振率阈值时发出报警。即本发明方法基于风电齿轮箱的振动特点和弹性支撑的隔振规律，对采集的信号进行滤波处理，分频段监测，确保监测的全面，可通过对采集的信号进行滤波和分频段处理确保监测的有效性，有针对性地分频段对振动有效值进行对比，从而掌握弹性支撑的运行状态，掌握弹性支撑的运行状态。可以在线实时监测齿轮箱弹性支持的运行状态，防止因弹性支撑失效对机组造成的损伤，实现“预测性维护”的功能，计算所涉及的参数变量较少，能够大大减少计算误差，提高鲁棒性；从而对减振效果作出有效计算，掌握弹性支撑的运行状态，保障机组的安全稳定运行。
进一步地，在监测过程中，数据采集系统中除了四个振动传感器采集的数据，还接入风电机组主控中的偏航状态信号，偏航时段的信号与正常运行时的不一样，根据信号的不同剔除机组处于偏航对风时段的数据，大大减少了误差干扰。
附图说明
图1为本发明风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测装置中振动加速度传感器的安装示意图；
其中：1-第一振动加速度传感器，2-第二振动加速度传感器，3-第三振动加速度传感器，4-第四振动加速度传感器，5-齿轮箱机架，6-弹性支撑，7-齿轮箱。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
如图1所示，一种风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测装置，风电机组齿轮箱包括齿轮箱机架5和齿轮箱7，齿轮箱7上安装有扭力臂，扭力臂两端的底部分别竖直安装有弹性支撑6，弹性支撑6的一端安装在齿轮箱机架5上，另一端与扭力臂的底面连接，其特征在于，所述风电机组齿轮箱弹性支撑减震效果监测装置包括若干个振动加速度传感器，在扭力臂上表面的两端分别安装一个振动加速度传感器，分别为第一振动加速度传感器1和第二振动加速度传感器2，在齿轮箱机架5的两端分别安装一个振动加速度传感器，分别为第三振动加速度传感器3和第四振动加速度传感器4，其中第三振动加速度传感器3位于第一振动加速度传感器1的正下方，第四振动加速度传感器4位于第二振动加速度传感器2的正下方。
实施例2
一种风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测方法，包括以下步骤：
S1、按照实施例1的装置布置振动加速度传感器。
S2、采集一组振动加速度传感器的信号，获得一组振动加速度数据。采集前设置振动加速度传感器采样频率，综合考虑计算量和监测效果，可设置四个振动传感器的采样频率均为3000Hz(采样频率可根据机型设置，但不能低于最高啮合频率的2.5倍频)；
考虑到机组偏航对风过程中会激起机架的高频振动，相当于对第三振动加速度传感器3和第四振动加速度传感器4增加了额外的背景噪声，会严重影响测量的准确性，因此，剔除偏航对风时段的数据；
再根据一组振动加速度数据进行振动有效值计算，并根据振动有效值计算结果计算隔振率，具体包括以下过程：
步骤21)，考虑到低频对机架的影响较小以及弹性支撑6主要针对高频的隔振，本专利的方法更多倾向于对高频段的监测处理，以某三级啮合的齿轮箱为例，其低频段的啮合可能在20Hz以内，监测效果并不好，所以对其高频段的啮合频率进行处理监测；
设风电机组在并网转速时段的两级高频段啮合频率分别为第一级高频段啮合频率Fg1和第二级高频段啮合频率Fg2，额定转速时段的两级高频段啮合频率分别为第一级高频段啮合频率Fr1和第二级高频段啮合频率Fr2，则设置两段监测频段分别为第一监测频段[Fg1-20，Fr1+20]和第二监测频段[Fg2-20，Fr2+20]；
步骤22)，对于四个振动加速度传感器分别在采集时段T0内的信号进行带通滤波，得到第一监测频段[Fg1-20，Fr1+20]内的信号和第二监测频段[Fg2-20，Fr2+20]内的信号；
步骤23)，通过以下公式计算振动有效值：
式中，RV(p)sig(q)表示根据第p振动加速度传感器在第q监测频段的信号计算得到的振动有效值，p∈{1,2,3,4}，q∈{1,2}，N表示采集时段T0内的振动加速度数据的个数，V(p)i表示采集时段T0内采集的第i个振动加速度数据；
步骤24)，通过以下公式计算隔振率：
式中，η(q)L表示由第q监测频段的信号得到的齿轮箱左扭力臂弹性支撑的隔振率；η(q)R表示由第q监测频段的信号得到的齿轮箱右扭力臂弹性支撑的隔振率。
S3、根据隔振率计算结果与隔振率阈值进行比较，隔振率阈值包括第一隔振率阈值η1和第二隔振率阈值η2，将η(1)L和η(1)R分别与第一隔振率阈值η1比较，将η(2)L和η(2)R分别与第二隔振率阈值η2比较，当有一项超出范围，则发出报警。
需要说明的是，上述实施例中使用的第一振动加速度传感器、第二振动加速度传感器、第三振动加速度传感器和第四振动加速度传感器均为普通型振动加速度传感器。
综上所述，本发明提供的一种风电机组齿轮箱弹性支撑减振效果监测方法，根据齿轮箱的振动特点及弹性支撑的隔振规律设计。风电齿轮箱具有以下振动特点：一，振动能量主要集中在各级啮合频率处，如果能有效对这些频率进行减振，那么弹性支撑就是有效的；二，工作范围在并网转速和额定转速之间(并网转速<额定转速)。弹性支撑的隔振规律：对高频具有良好的隔振效果，对低频不敏感，并且，高频振动对机架的损伤是主要的，因此，重点关注较高频段的隔振效果就行。基于以上特点，对采集的信号进行滤波处理，分频段监测，确保监测的全面，有效性根据齿轮箱的振动特点及弹性支撑的隔振规律设计，可通过对采集的信号进行滤波和分频段处理确保监测的有效性，从而对减振效果作出有效计算，掌握弹性支撑的运行状态，保障机组的安全稳定运行。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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