一种基于结构分析的风机齿轮箱振动传感器配置方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于结构分析的风机齿轮箱振动传感器配置方法，包括以下步骤：1)分析齿轮箱系统组成结构；2)构建齿轮箱系统动态模型；3)应用结构分析方法进行齿轮箱传感器配置。本发明的方法方法使振动传感器安装的位置与数量由齿轮箱的内部结构与其动态运行特性来确定，以确保能够检测到准确的、全面的振动信号，提高齿轮箱故障预测和故障诊断精度。
【专利说明】一种基于结构分析的风机齿轮箱振动传感器配置方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种基于结构分析的风机齿轮箱振动传感器配置方法。
【背景技术】
[0002]《风统计简报》给出的2003?2009数据显示，引起风电机组故障停机的主要部件是主轴承、齿轮箱和发电机，其中齿轮箱引起的故障停机时间最长[I]，而且也是风电机组20年设计寿命中维护代价最高的。因此，有效的齿轮箱状态监测与故障预测是避免齿轮箱重大故障、降低风电机组维护费用的重要手段。齿轮箱内部主要为旋转啮合机械部件，那么它在工作过程中不可避免的会产生振动，尤其故障情况下的振动特性非常突出。因此，利用振动监测信号进行其健康状况评估和故障预测是最直接、最有效的方法。在齿轮箱中哪些位置安装传感器最合理呢？目前，风电机组齿轮箱振动传感器的配置均是依据经验来进行的。以一级行星、两级平行结构的齿轮箱为例，常用的典型配置有三种:(1)包含所有可能安装位置的八个振动传感器配置方案，安装位置为外圈齿轮径向上方、外圈齿轮径向下方、低速轴径向、中速轴径向、高速轴径向、高速轴上风处轴承径向、高速轴下风处轴承径向与行星架下风处径向；(2)4个振动传感器的经济配置方案1，外圈齿轮径向上方或下方、低速轴径向、中速轴径向和高速轴径向；(3)4个振动传感器的经济配置方案2，外圈齿轮径向上方或下方、高速轴上风处轴承径向、高速轴下风处轴承径向与行星架下风处径向。在这几种配置方案中，根据齿轮箱结构，设计人员估计外圈上一定要安放传感器，然后其余的传感器可在低速轴径向、中速轴径向、高速轴径向、高速轴上风处轴承径向、高速轴下风处轴承径向或行星架下风处径向之间来选择，这就有一定的随机性，由不同厂家来自行决定了。那这几个位置中哪个组合最能反映齿轮箱工作状态呢？缺乏精确的理论分析。
[0003]现有的齿轮箱振动传感器配置方案一般基于系统构成与工程师经验制定的，传感器安装的位置及数量不能保证获得最有效的振动信号，配置方案不一定是最优的。本发明采用基于结构分析的方法来进行传感器的配置与优化。使用结构分析方法不仅可考虑系统基本组成，通过分析风电机组齿轮箱的动态模型，剖析其模型各参数间的内在联系，在保证最大诊断度的情况下确定哪些参数需要进行测量，即安装传感器，并实现最少数目的传感器配置。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于结构分析的风机齿轮箱振动传感器配置方法。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]一种基于结构分析的风机齿轮箱振动传感器配置方法，包括以下步骤:1)分析齿轮箱系统组成结构；风机齿轮箱常采用的结构有一级行星两级平行、两级行星一级平行、单级行星、两级行星、一级行星一级平行几种；首先确定待配置传感器齿轮箱属于哪种结构，然后对齿轮箱各组成部分进行详细定义；2)构建齿轮箱系统动态模型；用齿轮箱系统的一组动力方程E来表示其动态模型；在基于模型的风机齿轮箱故障诊断中，齿轮箱动力模型的研究是比较深入与广泛的，可选取已有的精度与准确度均表现良好的模型，或自行建模完成。得到模型后，要对模型中各方程进行标号，分析它涉及了哪些参数，并剖析哪些参数是已知的，哪些是未知，未知参数中哪些是根据实际情况不可测量量，哪些是可测量量；传感器安装即从可测量参数中来选择，选定安装传感器的参数成为已知变量，未选定安装传感器的未知参数为未知变量；3)应用结构分析方法进行齿轮箱传感器配置。
[0007]所述的传感器配置方法，所述结构分析方法的基本原理为:设已用一组方程E来表示齿轮箱系统动态模型，在结构分析方法中，称模型中的方程为基本关系，方程组称为关系集R ;找出关系集R中所有变量的集合Z，并分为已知变量集合K与未知变量集合X两类；将关系集R中的各个关系与齿轮箱系统的各个组件对应起来，构成系统的结构模型，以一个矩阵来表示，称为结构矩阵；结构矩阵中的行对应于关系集R中的各个关系，第一列为与此关系对应的组件，其它列对应于关系中的变量；若关系^包含变量则对应项记为“X”，否则空白；齿轮箱模型即表示为由关系集合R= Ir1，…，rm}与变量集合Z= {K U X}组成的结构模型。将结构模型中的关系R与变量Z视为两类顶点，若关系1^中含有变量Zj，则称顶点A与\间存在一条边Ov \)，则结构模型可表示为顶点{R，Z}与边集Az构成的二元结构图。
[0008]所述的传感器配置方法，所述的二元结构图，将R与Z作为顶点，在R与Z间建立
边的集合Az，Az^RxZ t 0?，ζ/)6Αζ ?关系ri中含有变量Zj，则系统结构模型可表示为
一个二元结构图G(R，Z，Az);设边a属于Az，则它位于R中的顶点记为r (a)，位于Z中的顶点记为 z (a),则 a = (r (a), z (a))
[0009]设P (E)是给定集合E的子集，进行如下的定义:
[0010]Q=P(R) — P (Z)，`即Q表示子集R中包含的变量的集合，是Z的子集；
[0011]=表示关系 R 中的变量；
[0012]若R°是R的一个子集，称(R°，Q (R0))是一个子系统；
[0013]设Q (R) = Qk (R) U Qx (R)，Qk (R)表示Q (R)中已知变量的子集(即为K)，Qx (R)表示Q(R)中未知变量的子集(即为X)；
[0014]满足下面形式的子系统是可监测的:
[0015]T(R，Q(R)) = (R'，Q(R'))，且尤〕，即子系统中的所有变量都可用已知变
量来代替；可监测子系统中的未知变量均可由已知变量经过计算得到；若此子系统中包含所有的未知变量，则整个系统为可监测系统，系统中除可监测子系统外的关系也为可解的，这些关系在求解未知变量时没有用到，所以称为冗余关系；由于冗余关系中所有变量均为已知，所以若冗余关系成立，说明系统处于正常运行情况下；若冗余关系不成立，则说明某个或某几个变量值是错误的，通过分析变量值来自于哪个部件，可得到故障部件；因此通过分析冗余关系，能够进行系统组件的故障预测。
[0016]本发明提出一种基于结构分析的风机齿轮箱振动传感器配置方法。现有的很多风电场已经在风机齿轮箱上安装了振动传感器，但其安装位置及数量均是根据设计师与工程师的经验来确定的；这样往往造成振动传感器的安装位置不合适，造成采集的振动信号灵敏度低；或有效的振动传感器数量不足，不能有效、全面监测齿轮箱工作状态。为了有效获得并利用振动信息，提高齿轮箱故障预测准确性，本发明提出基于结构分析的齿轮箱振动传感器配置方法。本发明的方法使振动传感器安装的位置与数量由齿轮箱的内部结构与其动态运行特性来确定，以确保能够检测到准确的、全面的振动信号，提高齿轮箱故障预测和故障诊断精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1齿轮箱内部结构图；S:太阳轮，Pl:行星轮1，P2:行星轮2，P3:行星轮3，4:低速轴齿轮，5:中速轴齿轮1，6:中速轴齿轮2，7:高速轴齿轮；
【具体实施方式】
[0018]以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0019]I基于结构分析的风机齿轮箱振动传感器配置方法
[0020]结构分析的风机齿轮箱振动传感器配置方法主要包括以下几个步骤:1)分析齿轮箱系统组成结构；2)构建齿轮箱系统动态模型；3)应用结构分析方法进行齿轮箱传感器配置。下面分别来介绍。
[0021]1.1分析齿轮箱系统组成结构
[0022]风机齿轮箱常采用的结构有一级行星两级平行、两级行星一级平行、单级行星(半直驱)、两级行星、一级行星一级平行几种。首先确定待配置传感器齿轮箱属于哪种结构，然后对齿轮箱各组成部分进行详细定义。例如一级行星两级平行结构的齿轮箱，主要部件有:行星齿轮系统的外圈，行星架，三个行星轮，太阳轮；平行齿轮系统的低速轴，低速轴齿轮，中速轴，中速轴齿轮(2个)，高速轴，高速轴齿轮，如图1所示。
[0023]1.2构建齿轮箱系统结构模型
[0024]这里可用齿轮箱系统的一组动力方程E来表示其动态模型。在基于模型的风机齿轮箱故障诊断中，齿轮箱动力模型的研究是比较深入与广泛的，可选取已有的精度与准确度均表现良好的模型，或自行建模完成。得到模型后，要对模型中各方程进行标号，分析它涉及了哪些参数，并剖析哪些参数是已知的，哪些是未知，未知参数中哪些是根据实际情况不可测量量，哪些是可测量量。传感器安装即从可测量参数中来选择，选定安装传感器的参数成为已知变量，未选定安装传感器的未知参数为未知变量。
[0025]不同结构的齿轮箱具有不同的动态模型，应用本方法最后得到的传感器配置也会不尽相同。同时，在结构分析方法中，要求模型中方程的个数要大于等于未知变量(安装传感器后)的个数，否则不能进行结构分析的传感器配置。如果模型中方程的个数不满足，则要修改模型，即添加新的方程来达到要求。
[0026]1.3结构分析方法基本原理
[0027]设已用一组方程E来表示齿轮箱系统动态模型，在结构分析方法中，称模型中的方程为基本关系，方程组称为关系集R ;找出关系集R中所有变量的集合Z(即前面分析的未知参数)，并分为已知变量集合K (选定的安装传感器进行测量的未知参数)与未知变量集合X(未安装传感器的未知参数)两类。将关系集R中的各个关系与齿轮箱系统的各个组件(子部件)对应起来，构成系统的结构模型，以一个矩阵来表示，称为结构矩阵。
[0028]定义1:结构矩阵。结构矩阵中的行对应于关系集R中的各个关系，第一列为与此关系对应的组件，其它列对应于关系中的变量(分为已知变量K与未知变量X)。若关系ri包含变量则对应项记为“ X ”，否则空白。如表1所示。
[0029]表1齿轮箱结构矩阵
[0030]
【权利要求】
1.一种基于结构分析的风机齿轮箱振动传感器配置方法，其特征在于，包括以下步骤:I)分析齿轮箱系统组成结构；风机齿轮箱常采用的结构有一级行星两级平行、两级行星一级平行、单级行星、两级行星、一级行星一级平行几种；首先确定待配置传感器齿轮箱属于哪种结构，然后对齿轮箱各组成部分进行详细定义；2)构建齿轮箱系统动态模型；用齿轮箱系统的一组动力方程E来表示其动态模型；在基于模型的风机齿轮箱故障诊断中，齿轮箱动力模型的研究是比较深入与广泛的，可选取已有的精度与准确度均表现良好的模型，或自行建模完成；得到模型后，要对模型中各方程进行标号，分析它涉及了哪些参数，并剖析哪些参数是已知的，哪些是未知，未知参数中哪些是根据实际情况不可测量量，哪些是可测量量；传感器安装即从可测量参数中来选择，选定安装传感器的参数成为已知变量，未选定安装传感器的未知参数为未知变量；3)应用结构分析方法进行齿轮箱传感器配置。
2.根据权利要求1所述的传感器配置方法，其特征在于，所述结构分析方法的基本原理为:设已用一组方程E来表不齿轮箱系统动态模型,在结构分析方法中,称模型中的方程为基本关系，方程组称为关系集R ;找出关系集R中所有变量的集合Z，并分为已知变量集合K与未知变量集合X两类；将关系集R中的各个关系与齿轮箱系统的各个组件对应起来，构成系统的结构模型，以一个矩阵来表示，称为结构矩阵；结构矩阵中的行对应于关系集R中的各个关系，第一列为与此关系对应的组件，其它列对应于关系中的变量；若关系q包含变量Xj，则对应项记为“X”，否则空白；齿轮箱模型即表示为由关系集合R= Ir1,…，rj与变量集合Z = {K U X}组成的结构模型；将结构模型中的关系R与变量Z视为两类顶点，若关系A中含有变量Zj,则称顶点&与Zj间存在一条边Zj)，则结构模型可表示为顶点{R，Z}与边集Az构成的二元结构图。
3.根据权利要求2所述的传感器配置方法，其特征在于，所述的二元结构图，将R与Z作为顶点，在R与Z间建立边的集合Az，為C: i? X Z，ir?Zj) G Az。关系巧中含有变量Zj’则系统结构模型可表示为一个二元结构图G (R，Z，Az);设边a属于Az，则它位于R中的顶点记为r (a),位于Z中的顶点记为z (a),贝U a = (r (a), z (a)) 设P (E)是给定集合E的子集，`进行如下的定义: Q:P (R) — P (Z)，即Q表示子集R中包含的变量的集合，是Z的子集； 及—β(及)={&卜,￡足即R — Q(R)表示关系R中的变量； 若R°是R的一个子集，称(R°，Q(R°))是一个子系统； 设Q (R) =Qk(R) U Qx(R), Qk(R)表示Q(R)中已知变量的子集(即为K)，Qx(R)表示Q(R)中未知变量的子集(即为X); 满足下面形式的子系统是可监测的: T(R，Q(R)) = (R'，Q(R'))，且即子系统中的所有变量都可用已知变量来代替；可监测子系统中的未知变量均可由已知变量经过计算得到；若此子系统中包含所有的未知变量，则整个系统为可监测系统，系统中除可监测子系统外的关系也为可解的，这些关系在求解未知变量时没有用到，所以称为冗余关系；由于冗余关系中所有变量均为已知，所以若冗余关系成立，说明系统处于正常运行情况下；若冗余关系不成立，则说明某个或某几个变量值是错误的，通过分析变量值来自于哪个部件，可得到故障部件；因此通过分析冗余关系，能够进行系统组 件的故障预测。
【文档编号】F03D11/00GK103821673SQ201310602632
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】赵洪山, 王桂兰, 郭伟, 兰晓明 申请人:华北电力大学（保定）