謝松汕，許寶杰，吳國(guó)新，左云波

（北京信息科技大學(xué) 100192）

0 引言

二十世紀(jì)六十年代后期，才開(kāi)始研究關(guān)于機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)，它的發(fā)展與航天和軍事工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。故障診斷技術(shù)的開(kāi)發(fā)起源于美國(guó)，隨著這種技術(shù)的需求越來(lái)越迫切，日本、法國(guó)、德國(guó)等其他國(guó)家也緊隨其后進(jìn)行研究。七十年代初，部分發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始將狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)安裝在現(xiàn)場(chǎng)并投入使用。隨著電子計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、現(xiàn)代測(cè)試等技術(shù)、監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)的快速發(fā)展，功能變得更加多樣化，集中式的系統(tǒng)已慢慢被分布式并行系統(tǒng)所取代；無(wú)論是功能還是性能都有很大的改善，由原先只是簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)與診斷過(guò)渡到集成化的監(jiān)測(cè)與診斷，另外還具有控制與管理的功能；之前所監(jiān)測(cè)的對(duì)象是某一臺(tái)機(jī)組，現(xiàn)在能監(jiān)測(cè)不同區(qū)域的多臺(tái)機(jī)組；并且在能源、航空及化工等等多個(gè)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

信號(hào)采集是由傳感器完成的，而傳感器通常是裝置在設(shè)備上或旁邊，采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)試、采樣后傳輸?shù)叫盘?hào)處理部分，信息處理即是對(duì)信息進(jìn)行篩選，然后得到狀態(tài)特征量，接著再對(duì)狀態(tài)進(jìn)行辨識(shí)，并得到一個(gè)結(jié)果，下一步就是監(jiān)測(cè)與診斷決策部分，最后將設(shè)備的診斷決策結(jié)果輸出。圖1中間的三個(gè)板塊通常是憑借計(jì)算機(jī)和專(zhuān)門(mén)的設(shè)備進(jìn)行的。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的支撐技術(shù)

故障機(jī)理指的是使設(shè)備故障發(fā)生物理或化學(xué)變化的原因和原理。設(shè)備故障機(jī)理要以物理、數(shù)學(xué)等理科方面的理論知識(shí)作為依據(jù)。分析設(shè)備故障機(jī)理，確定一個(gè)恰當(dāng)?shù)奶卣鲄?shù)，另外還需要選擇容易識(shí)別的方法。所以能否正確地監(jiān)測(cè)與診斷預(yù)設(shè)對(duì)象的基礎(chǔ)是對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行分析。若要辨識(shí)狀態(tài)，則需要得到辨別與決策技術(shù)的支持。狀態(tài)辨識(shí)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是相互關(guān)聯(lián)的，目前常用和研究中的狀態(tài)識(shí)別方法比較多，例如：時(shí)域模型識(shí)別法、模糊診斷法、距離函數(shù)分類(lèi)法、貝葉斯分析法、灰色模型診斷方法等；人工智能的發(fā)展還衍生出很多相應(yīng)的診斷方法，例如：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及數(shù)據(jù)挖掘等。而在分析信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，則要使用傳統(tǒng)和新型的信號(hào)處理技術(shù)。為什么要進(jìn)行信號(hào)分析呢？因?yàn)檫@樣可以更加方便的對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，使信號(hào)的形式發(fā)生變化，篩選出有幫助的信息，從而可以預(yù)測(cè)、辨識(shí)正在研究的信息。研究信號(hào)分析以及如何處理是設(shè)備故障診斷技術(shù)中比較重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是現(xiàn)在一項(xiàng)比較熱門(mén)的理論研究；傳統(tǒng)的信號(hào)分析方法包括濾波技術(shù)和頻譜分析技術(shù)。

圖1 —狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的主要組成部分

頻譜分析中常用的分析方法包括：實(shí)時(shí)分析、倒譜分析、小波、局域波、分形幾何和模糊技術(shù)等分析方法。特別像局域波、模糊技術(shù)等分析方法是最近幾年才開(kāi)始被廣泛應(yīng)用的，而這種設(shè)備診斷中新技術(shù)的應(yīng)用，都大大促進(jìn)了設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展。

3 風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

德國(guó)專(zhuān)家的研究項(xiàng)目中曾統(tǒng)計(jì)了250MW的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)時(shí)的狀況，1992-1993兩年時(shí)間中共維修5500次，其中約1380次故障是因?yàn)椴考蓜?dòng)、老化和壞掉。因?yàn)闄C(jī)組的重要部件不僅價(jià)格比較高，更換起來(lái)也比較復(fù)雜，而狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于它能對(duì)程序進(jìn)行維護(hù)與改進(jìn)，有效的控制成本，鑒于這點(diǎn)，引入狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)是目前風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用維護(hù)方面的一個(gè)發(fā)展方向，還有對(duì)時(shí)間、特性的分析等，可以事先估計(jì)某部件將會(huì)發(fā)生什么故障?，F(xiàn)在在風(fēng)電機(jī)組上狀態(tài)監(jiān)測(cè)常見(jiàn)的應(yīng)用分析包括：葉片的振動(dòng)、傳動(dòng)部件的振動(dòng)、聲學(xué)和光纖應(yīng)變、油質(zhì)量、電子部件的熱譜、電能的時(shí)域和頻域等；還有重要部件的趨勢(shì)響應(yīng)函數(shù)和傳統(tǒng)的耳眼監(jiān)測(cè)。像Bently Nevada（通用公司）、SKF WindCon（SKF公司）等風(fēng)電機(jī)組的檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)商業(yè)化。近期出現(xiàn)了新型運(yùn)用光纖技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有些公司（例如LM公司）研究并運(yùn)用這類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和觀察，風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷基本方法主要有以下幾個(gè)。

3.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

機(jī)械振動(dòng)是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中不可避免的現(xiàn)象，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常反應(yīng)時(shí)，通常振動(dòng)就會(huì)加強(qiáng)，從而對(duì)性能有影響，包括精確度、磨損程度等，加大破壞和振動(dòng)，一直這樣反反復(fù)復(fù)，最終致使問(wèn)題和損壞的發(fā)生。振動(dòng)分析法的使用能夠精確的檢測(cè)和診斷多種機(jī)械設(shè)備故障，如轉(zhuǎn)子不平衡、軸承不對(duì)稱或不緊、部件變形、摩擦或損壞等等。振動(dòng)監(jiān)測(cè)在風(fēng)電機(jī)組中大部分是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軸承和齒輪，葉片的監(jiān)測(cè)也有但涉及比較少。統(tǒng)計(jì)已經(jīng)出現(xiàn)的故障情況，可以知道大部分情況是軸承和齒輪部件的磨損，具體表現(xiàn)為腐蝕、微動(dòng)、粘附和空氣氧化等磨損。振動(dòng)信號(hào)的分析方法有：幅值分析、頻譜分析、時(shí)域分析、包絡(luò)解調(diào)法等。

圖2 —振動(dòng)信號(hào)分析

上圖（a）中105-107之間最高峰處的值即是一級(jí)行星齒輪嚙合頻率，邊頻間隔即是軸的旋轉(zhuǎn)頻率（0.67赫茲）。這種方法探測(cè)到故障的依據(jù)是只需監(jiān)測(cè)到某個(gè)故障頻率。（b）是發(fā)電機(jī)軸承的功率密度譜。監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)不同于一般機(jī)械設(shè)備，它比較特殊：首先，因?yàn)樗捷S風(fēng)電機(jī)組是在幾十米的高空中運(yùn)行，高空中的大氣和風(fēng)會(huì)干擾機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行，它的載荷變化并不是那么容易，特別是國(guó)內(nèi)有些風(fēng)電場(chǎng)是建在山地和崎嶇的高原，當(dāng)?shù)貧鈮阂膊煌谄渌胤?，風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期在復(fù)雜的載荷變化下運(yùn)行。而風(fēng)的力度和方向無(wú)法確定，故風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也無(wú)法確定。這些都是導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)信號(hào)分析復(fù)雜化的因素。另外，目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)還不夠成熟，沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒和學(xué)習(xí)，因此還有很長(zhǎng)一段摸索和實(shí)踐的路要走。

3.2 油液分析

油液分析監(jiān)測(cè)技術(shù)可知道設(shè)備操作中的零部件和潤(rùn)滑的磨損情況，這個(gè)主要是借助對(duì)油內(nèi)磨屑微粒、設(shè)備潤(rùn)滑油和液壓油的自身性能的分析和監(jiān)測(cè)。這種技術(shù)還可以監(jiān)測(cè)機(jī)械的零部件磨損的變化全過(guò)程：磨合→輕微磨損→嚴(yán)重磨損。它對(duì)機(jī)械磨損研究和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷有著重要意義，如機(jī)械磨損部位、磨損機(jī)理的研究及在監(jiān)測(cè)時(shí)能進(jìn)行不停機(jī)故障診斷。油液分析監(jiān)測(cè)是一種既有效又全面的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷技術(shù)，不僅能夠掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，還能監(jiān)控潤(rùn)滑油的質(zhì)量。油樣分析的工作流程：取樣→油樣分析→故障診斷→用戶反饋，油液分析的常用方法有鐵譜與光譜分析和油液理化分析技術(shù)等。油液分析的主要是對(duì)油液質(zhì)量和機(jī)組部件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，取樣后離線分析法是機(jī)械的油液分析中最常使用的。如今隨著傳感器技術(shù)的提升，在線傳感器無(wú)論是在成本還是功能方面都能達(dá)到狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求，故風(fēng)電機(jī)組的油液在線監(jiān)測(cè)也是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。

圖3（a）是風(fēng)機(jī)2004年4月至2004年7月的磨粒測(cè)量圖。圖中線1代表風(fēng)機(jī)每日平均磨粒測(cè)量值，線2代表每日平均發(fā)電量。圖（b）是7月4日的磨粒測(cè)量圖，線1代表風(fēng)機(jī)每分鐘的磨粒測(cè)量值，線2代表每分鐘的平均發(fā)電量。由圖可知，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速比較低時(shí)，風(fēng)機(jī)磨損相對(duì)也比較低。

3.3 溫度記錄

溫度記錄主要是監(jiān)測(cè)和辨識(shí)電子、電氣部件發(fā)生的故障。若熱點(diǎn)顯示為零，則可以迅速識(shí)別出元件損壞或者接觸不良。

3.4 應(yīng)變測(cè)量

風(fēng)電機(jī)組中葉片的應(yīng)變測(cè)量對(duì)葉片壽命的預(yù)測(cè)有很大的幫助，能夠確保葉片在適當(dāng)?shù)膽?yīng)力范圍內(nèi)運(yùn)行。通常測(cè)量部件應(yīng)變是使用應(yīng)變儀，但是一般普通應(yīng)變儀的使用壽命相對(duì)來(lái)說(shuō)有點(diǎn)短，所以狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般不會(huì)選擇它。光纖布拉格光柵傳感器，縮寫(xiě)FBG有較多優(yōu)勢(shì)，如壽命長(zhǎng)、外形小巧、抗腐蝕和抗干擾能力強(qiáng)等，是一款很適合風(fēng)電機(jī)組葉片監(jiān)測(cè)的傳感器。但是目前FBG的價(jià)格比較高，且技術(shù)水平還不夠成熟，因此并沒(méi)有被廣泛運(yùn)用。不過(guò)以現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，風(fēng)機(jī)葉片的應(yīng)變監(jiān)測(cè)在不久的將來(lái)會(huì)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖4 —葉片中的FBG的位置

上圖是國(guó)外某公司在風(fēng)電機(jī)組葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)項(xiàng)目中FBG在風(fēng)電機(jī)組葉片上的安裝位置圖。三個(gè)FBG應(yīng)變傳感器和一個(gè)FBG溫度傳感器分別安裝在兩個(gè)葉片的張力側(cè)，另一個(gè)葉片除此之外還安裝了三個(gè)FBG應(yīng)變傳感器在壓力側(cè)對(duì)應(yīng)的地方。圖中還對(duì)傳感器與輪轂的間距做出了標(biāo)注。圖6是裝有六個(gè)FBG應(yīng)變傳感器工作時(shí)的葉片應(yīng)變圖。剛開(kāi)始的100秒是風(fēng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行的過(guò)程，在調(diào)整槳葉旋轉(zhuǎn)一圈后螺旋的距離；隨后的2分鐘，葉片的旋轉(zhuǎn)進(jìn)入正常速度，葉片自身有一定的重量，周期振動(dòng)是0.2赫茲，在空氣動(dòng)力載荷上出現(xiàn)清楚的分層現(xiàn)象。最后轉(zhuǎn)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片旋轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的位置。

綜上所述，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)對(duì)主要部件的內(nèi)在故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)、識(shí)別與診斷，可能會(huì)使初期階段的投資加大，但是對(duì)后面的工作是有益的，如：能夠節(jié)約因維修而使風(fēng)電機(jī)停止運(yùn)行的時(shí)間，提高維修工作效率，可事先維修將會(huì)發(fā)生故障的部件，由此可見(jiàn)，初期的投資是有回報(bào)的，因?yàn)檫@種技術(shù)可以為廠商創(chuàng)造顯而易見(jiàn)的利益。

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