专利名称：风力发电机组传动系统故障诊断装置及模拟方法
技术领域：
本发明涉及风力发电机组的故障诊断领域，特别是一种风力发电机组传动系统故障诊断装置及模拟方法。
背景技术：
利用风能发电近年来已得到世界各国的大力研究和开发应用。但是风力发电中的关键设备风力发电机组很容易遭到破坏且不易维修，尤其像齿轮箱等关键部位发生故障。采用先进的监测技术在不停机状态下对风力发电机组进行实时监测，同时利用各种信号处理和分析技术对采集到的机组信号进行处理和分析，可以尽可能早地发现故障，准确判断故障原因和部位，跟踪分析故障发展趋势，以及合理安排维修和更换计划，避免临时的检修行为。
在现代风力发电技术中，出于安全与控制的需要，绝大多数风力发电机组安装了具有状态监测和故障报警等相应功能的监控与数据采集系统(SCADA)，可进行旋转机械和机舱振动监测，油温检测，发电机的电压、电流和功率信号监测等。其主控系统通过对所获信号与预先设定阈值的比较，做出故障状态判断，进而控制风力发电机组停机或者紧急停机，以防风力发电机组超速、过载以及共振等问题发生。但是这种监控系统只能检测出短期的、临时的和重大的故障状态，以保护风力发电机组的主要部件不发生严重损坏，而一般难以对风力发电机组长期处于非最佳运行状态下所产生的故障进行监测。同时由于风力发电机组齿轮箱为增速齿轮箱，且多使用行星轮系，其运行状态不同于一般齿轮箱，发生的故障具有特殊性。但是现有常规实验台多是普通齿轮箱。而且现有实验台多为某种固定结构，不能灵活应用于较多形式的实验方案。同时，现有风电技术中，对于风力发电机组的状态监测和故障诊断系统，监测位置点少，获得的信号数据较少，不能更好地提取特征参数；数据分析多采用传统方法，不能更加有效的辨识故障；开发软件系统周期长，难度较大，且需要专业人员维护。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种风力发电机组传动系统故障诊断装置及模拟方法，可以进行模拟真实环境中的风力发电机组传动系统的正�：凸收显诵凶刺袢±砺勰岩曰竦玫氖笛槭荩刺觳夂凸收险锒咸峁┍匾氖葜С郑⑷砑低程峁┦笛橹С�。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，包括变频电机、平行轴减速机、行星齿轮增速机和磁粉制动器，变频电机通过联轴器与平行轴减速机连接，平行轴减速机通过联轴器与行星齿轮增速机连接，行星齿轮增速机通过联轴器与磁粉制动器连接。其中变频电机用于模拟实际风力发电机组的风轮转速的变化；平行轴减速机用于降速到实际风力发电机组风轮的转速；行星齿轮增速机用于模拟实际风力发电机组的齿轮箱；磁粉制动器用以模拟实际发电时的风力发电机产生的载荷。平行轴减速机和/或行星齿轮增速机上设有振动传感器和转速传感器。所述的振动传感器分别设置在平行轴减速机和/或行星齿轮增速机的壳体、轴承座的端面和轴承座的侧面。所述的振动传感器和转速传感器采集的信号传输到计算机。所述的平行轴减速机的轴承和/或小齿轮轴上设有故障，所述的行星齿轮增速机的行星轮轴和/或太阳轮上设有故障。一种应用上述的装置模拟风力发电机组传动系统故障及诊断方法，包括以下步骤 一、依次连接变频电机、平行轴减速机、行星齿轮增速机和磁粉制动器，在平行轴减速机和/或行星齿轮增速机上安装转速传感器和振动传感器，各个传感器与计算机连接；
二、通过调节变频电机转速，以模拟实际风力发电机组的风轮转速的变化，经平行轴减速机降速到实际风力发电机组风轮的转速，行星齿轮增速机用于模拟实际风力发电机组的齿轮箱，磁粉制动器为整套装置提供载荷，以模拟实际发电时的风力发电机；
三、转速传感器和振动传感器获取的信号输入计算机，并由计算机完成信号的处理与分析，获得风力发电机组运行状态信息；
通过上述步骤获取风力发电机组传动系统故障及诊断信息。在步骤2)中，通过人为设置故障以加快试验进度。所述的故障设置在平行轴减速机的轴承和/或小齿轮轴上。所述的故障设置在行星齿轮增速机的行星轮轴和/或太阳轮上。本发明提供的一种风力发电机组传动系统故障诊断装置及模拟方法，可以模拟实际风力发电机组的运行状态，包括正�：凸收锨榭鱿碌淖刺�。并获取各个状态下的实验数据，从而便于利用计算机对数据进行分析和对比，以建立适于风力发电机组传动系统的故障诊断模型。通过人为设置的故障，以实现对风力发电机组发生故障时运行状态的模拟。同时便于设计一套用于风力发电机组的状态监测和故障诊断系统。所述系统通过传感器、采集卡等进行数据采集和状态监测，获取风力发电机组旋转结构正常与故障时的振动特性，最终将采集到的信号输入计算机进行处理和分析，合理有效地提取故障特征，从而实现故障诊断功能。本发明同时具有验证故障诊断方法的可行性，以及所开发程序的实用性的功倉泛。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明
图I为本发明中故障诊断装置的结构示意图。图2为本发明中传感器与计算机连接的示意图。图3为本发明中数据采集的流程图。图中变频电机1，平行轴减速机2，行星齿轮增速机3，磁粉制动器4，联轴器5，转速传感器6，底座7，振动传感器8，数据采集卡9，计算机10。
具体实施方式
如图I中，一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，包括变频电机I、平行轴减速机2、行星齿轮增速机3和磁粉制动器4，变频电机I通过联轴器5与平行轴减速机2连接，平行轴减速机2通过联轴器5与行星齿轮增速机3连接，行星齿轮增速机3通过联轴器5与磁粉制动器4连接。变频电机I、平行轴减速机2、行星齿轮增速机3和磁粉制动器4均安装在底座7上。其中变频电机I型号为YJTG100L2-4，用于模拟实际风力发电机组的风轮转速的变化。平行轴减速机2型号为ZDY100-5，单级传动，传动比5:1，用于降速到实际风力发电机组风轮的转速。
行星齿轮增速机3型号为NGW11-5，单级传动，传动比1: 5，用于模拟实际风力发电机组的齿轮箱。磁粉制动器4型号为FZJ-5，用以模拟实际发电时的风力发电机产生的载荷。需要说明的是上述的连接方式为模拟风力发电机组传动系统的较佳方式，由于各个组件之间通过联轴器5连接，因此上述的模拟故障诊断装置也可以采用其他的连接形式，以模拟不同的传动状态，例如
第二种为变频电机1+联轴器+行星齿轮减速机+联轴器+平行轴增速机+联轴器+磁粉制动器4。第三种为变频电机1+联轴器+行星齿轮增速机3+联轴器+磁粉制动器4。第四种为变频电机1+联轴器+平行轴增速机+联轴器+磁粉制动器4。第五种为变频电机1+联轴器+行星齿轮增速机3+联轴器+平行轴增速机+联轴器+磁粉制动器。如图I、图2中所示，平行轴减速机2和/或行星齿轮增速机3上设有振动传感器8和转速传感器6。本例中的振动传感器8有两种,一种是型号为AD500T的压电式加速度传感器，另一种是型号为AD100T的压电式加速度传感器。转速传感器6型号为SZGB-6含信号线 SMB 母头。电源适配器 input :AC100 240V，50/60Hz ；output :DC12V。如图I、图2中所示，所述的振动传感器8分别设置在平行轴减速机2和/或行星齿轮增速机3的壳体、轴承座的端面和轴承座的侧面。所述的振动传感器8和转速传感器6采集的信号通过数据采集卡9传输到计算机10，所述的数据采集卡9型号为PCI-4472B。优化的方案中，为加速试验的进程，所述的平行轴减速机2的轴承和/或小齿轮轴上设有故障。由此结构，可以快速地获取故障状态下的实验数据。此处所述的故障举例如下
在平行轴减速机的大轴承和小轴承分别在内圈、外圈、滚动体设置裂纹故障，长度为轴承厚度，深度为1_。同时外圈设置点蚀和剥落故障；
小齿轮轴在轮齿表面分别设置单齿点蚀，直径为0. 5mm，深度为Imm的点，3 5个、单齿剥落直径为1mm，深度为Imm的点，5 10个、单齿断裂，截断整齿的1/3、多齿磨损，磨损4个1/3齿故障。所述的行星齿轮增速机3的行星轮轴和/或太阳轮上设有故障。此处所述的故障举例如下行星轮和太阳轮轴的轮齿表面分别设置单齿断齿故障，截断整齿的1/3 ;磨损故障，磨损4个1/3齿；单齿点蚀，直径为0. 5mm，深度为Imm的点，3 5个。一种应用上述的装置模拟风力发电机组传动系统故障及诊断方法，包括以下步骤
一、依次连接变频电机I、平行轴减速机2、行星齿轮增速机3和磁粉制动器4，在平行轴减速机2和/或行星齿轮增速机3上安装转速传感器6和振动传感器8，各个传感器与计算机10连接；
二、通过调节变频电机I转速，以模拟实际风力发电机组的风轮转速的变化，经平行轴
减速机2降速到实际风力发电机组风轮的转速，行星齿轮增速机3用于模拟实际风力发电机组的齿轮箱，磁粉制动器4为整套装置提供载荷，以模拟实际发电时的风力发电机；
三、转速传感器6和振动传感器8获取的信号输入计算机10，并由计算机10完成信号的处理与分析，获得风力发电机组运行状态信息数据；
通过上述步骤获取风力发电机组传动系统故障及诊断信息。优化的方案中，为加速实验进程，在步骤2中，通过人为设置故障以加快试验进度。由此可以较快的获取特定地单独或复核位置故障的数据。由此故障状态下获取的数据信息与正常工作状态下获取的数据在计算机中进行对比，即可快速诊断出风力发电机组传动系统的故障位置及类型。优化的方案中，所述的故障设置在平行轴减速机2的轴承和/或小齿轮轴上。所述的故障设置在行星齿轮增速机3的行星轮轴和/或太阳轮上。
权利要求
1.一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，包括变频电机(I)、平行轴减速机(2)、行星齿轮增速机(3)和磁粉制动器(4)，其特征是变频电机(I)通过联轴器(5)与平行轴减速机(2)连接，平行轴减速机(2)通过联轴器(5)与行星齿轮增速机(3)连接，行星齿轮增速机(3 )通过联轴器(5 )与磁粉制动器(4 )连接。
2.根据权利要求I所述的一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，其特征是其中变频电机(I)用于模拟实际风力发电机组的风轮转速的变化；平行轴减速机(2)用于降速到实际风力发电机组风轮的转速；行星齿轮增速机(3)用于模拟实际风力发电机组的齿轮箱；磁粉制动器(4)用以模拟实际发电时的风力发电机产生的载荷。
3.根据权利要求I所述的一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，其特征是平行轴减速机(2 )和/或行星齿轮增速机(3 )上设有振动传感器(8 )和转速传感器(6 )。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，其特征是所述的振动传感器(8)分别设置在平行轴减速机(2)和/或行星齿轮增速机(3)的壳体、轴承座的端面和轴承座的侧面。
5.根据权利要求4所述的一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，其特征是所述的振动传感器(8)和转速传感器(6)采集的信号传输到计算机(10)。
6.根据权利要求2、3或4所述的一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，其特征是所述的平行轴减速机(2)的轴承和/或小齿轮轴上设有故障，所述的行星齿轮增速机(3)的行星轮轴和/或太阳轮上设有故障。
7.一种应用权利要求1-6任一项所述的装置模拟风力发电机组传动系统故障及诊断方法，其特征是包括以下步骤 一、依次连接变频电机(I)、平行轴减速机(2)、行星齿轮增速机(3)和磁粉制动器(4)，在平行轴减速机(2)和/或行星齿轮增速机(3)上安装转速传感器(6)和振动传感器(8)，各个传感器与计算机(10)连接； 二、通过调节变频电机(I)转速，以模拟实际风力发电机组的风轮转速的变化，经平行轴减速机(2)降速到实际风力发电机组风轮的转速，行星齿轮增速机(3)用于模拟实际风力发电机组的齿轮箱，磁粉制动器(4)为整套装置提供载荷，以模拟实际发电时的风力发电机； 三、转速传感器(6)和振动传感器(8)获取的信号输入计算机(10)，并由计算机(10)完成信号的处理与分析，获得风力发电机组运行状态信息； 通过上述步骤获取风力发电机组传动系统故障及诊断信息。
8.根据权利要求7所述的一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，其特征是在步骤2)中，通过人为设置故障以加快试验进度。
9.根据权利要求8所述的一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，其特征是所述的故障设置在平行轴减速机(2)的轴承和/或小齿轮轴上。
10.根据权利要求8所述的一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，其特征是所述的故障设置在行星齿轮增速机(3)的行星轮轴和/或太阳轮上。
全文摘要
一种风力发电机组传动系统故障诊断装置，包括变频电机、平行轴减速机、行星齿轮增速机和磁粉制动器，变频电机通过联轴器与平行轴减速机连接，平行轴减速机通过联轴器与行星齿轮增速机连接，行星齿轮增速机通过联轴器与磁粉制动器连接。本发明可以模拟实际风力发电机组的运行状态，包括正�：凸收锨榭鱿碌淖刺�。并获取各个状态下的实验数据，从而便于利用计算机对数据进行分析和对比，以建立适于风力发电机组传动系统的故障诊断模型。通过人为设置的故障，以实现对风力发电机组发生故障时运行状态的模拟。
文档编号G01M13/02GK102759449SQ20121023732
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者万诗庆, 刘先名, 张进, 董海江, 赵春华, 钟先友, 陈世军 申请人:三峡大学
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