风机叶片故障预测的振动方法探究

段成宪

摘 要：风能是现阶段应用较多的清洁能源，具有安全、可再生等特点，风力发电机是风电转换的重要设备，但风机运行过程中受到惯性力、空气动力等因素的影响，可能会出现各种故障，因此，通过风机叶片的故障预测分析风机的运行状况十分的重要，文章就风机叶片的故障预测振动方法进行简单的讨论研究。

关键词：风机叶片；故障预测；检测原理；风机故障预测系统

风机振动很容易导致风机出现故障，有关统计分析表明，风机运行过程中，由于振动导致的风机故障是各类故障中比例最高的一种，实际的故障预测之中，风力发电机的振动检测就十分有必要，文章构建一种风机叶片振动检测网络模型，开发一套新的振动监测系统，用于监测风机叶片的早期故障，希望能够尽可能避免风机故障。

1 检测原理

风机设备出现故障之后，故障信息主要通过风力发电机的振动信号传递出来，系统运行过程中，利用对应的设备检测振动信号，分析信号中携带的数据信息，能够评估及预测设备的健康状况，风力发电厂故障预测及设备维修的重要依据就是风机的实时运行状况。风机叶片的加速度利用加速度传感器即可测量，该参数可以反映风机叶片振动的剧烈程度，速度的大小通过微积分可以得出，风机叶片振动的快慢通过速度反映，继续对速度进行积分可以得到风机叶片的振动位移，进而得出叶片的振动幅度。以此为基础可以构建一个基于三轴加速度传感器网络检测振动信息的故障预测模型，如图1所示：

图中A、B、C分别表示的是风机的三个叶片，，每个叶片上均匀的配置有5个加速度传感器，分别标号1～5，能够检测出叶片上不同位置上的点三维方向上的加速度值，利用该模型能够分解、变换、提取加速度信号，得出每个叶片在工作时的空间振动模态，同时也能够用来对比三个叶片相同位置上的物理量，分析整个风机叶片系统的平衡状态。在这个过程中，基于数字信号处理器的风机故障预测系统的设计十分的重要。

2 风机故障预测系统的设计方法

2.1 系统硬件部分的设计

（1）传感器模块。传感器模块中三轴加速度传感器的选择十分重要，实际的设计选择过程中要保证该传感器能够准确的测出x、y、z三轴方向的振动加速度值。Freescale公司的MMA7260Q三轴加速度传感器能够较好的实现这一目的，本次设计中选用这一型号的传感器，风机塔架的振动信号选择的是低频信号，利用外部电容可以限定传感器的输出宽带，进而实现降低噪音，提高分辨率的目的。实际的测量工作中，振动带宽、噪声以及噪声峰值分别为10Hz、1.9mg、1.2g。

（2）CPU模块。实际的测量分析过程中，需要实现15路加速度传感器模拟了的高精度A/D转换，对CPU模块的要求比较高，因此选用内置有12位A/D的TMS320F2812 处理器芯片，该CPU具有强大的数据处理功能，运行的速度较高，能够满足实际的应用需求。但由于实际的采样过程中，采样信号中杂波较多，为了保证数据处理结果的精确度，需要对振动信号进行IIR数据处理。

（3）信号调理模块。低通滤波单元是模拟信号处理通道的关键部分，对提取的特征频段信号的质量有着较大的影响，具体的设计工作中，滤波器的阶数应设计的相对高一些，确保阻带衰减率较高，因此本次设计中选择了8阶的低通巴特沃兹滤波器，该滤波器的通带响应教平，可以用于对信号进行抗混叠滤波处理。

（4）存储器模块。系统使用过程中需要及时的保存故障发生时系统的各种重要的参数信息，比如风机叶片振动的频率、幅度、传感器的编号等等，为工作人员的故障分析、评估、查询等打好基础，因此传感器模块的设计十分的重要，本次设计工作中选择FM24C16 存储芯片，通过I2C方式方式将芯片与TMS320F2812连接起来。

（5）电源模块。本次系统设计中，选择的电源为24V直流电源。控制芯片需要单独利用3.3v直流电源进行供电，该3.3v直流电源通过开关稳压器件能够获得，信号调理电路中运算放大器采用 5V电源进行供电，电源通过两个线性稳压器件可以分别获得。

（6）通信模块。通信模块主要负责监控中心与检测网络之间的正常通信，实际的设计工作中，通信电路可以选用 TI 公司接口芯片75LBC184进行设计，波特率设计为19200bit/s，能够保证系统的通信功能良好，可以满足实际的通信需要。

（7）继电器驱动电路。如果系统使用时检测到风机的转速及振动幅度超过了报警阈值，为了保证风机的安全性，需要及时通过继电器将风机与供电网络断开，切断供电回路，避免高频谐波渗入到电网系统中，因此继电器的选择十分重要，本次设计工作中选用的是欧姆龙公司的G6B型继电器，实际的使用过程中，线圈正常通电时，继电器闭合，反之，继电器断开。

2.2 系统软件设计

系统软件部分的设计流程如图2所示，程序存储器的参数初始值设置对于整个系统有着重要的意义，具体来说需要进行初始值设置的参数主要有滤波器类型选择、带通滤波器的高低通截止频率等几个，这一部分工作主要通过软件部分完成。实际的运行过程中，即使系统掉电，这些参数信息也不能丢失，并要保证系统再次启动之后，这些数据信息会自动恢复为之前设定的数值。因此，软件程序设计时需要将这些数据细信息保存在CPU处理器内置的E2PROM之中。此外，软件编写时需要重点关注系统通信方式规约、模拟及数字信号的采集标定等问题，从各个方面保证整个软件部分的可靠性、安全性、高效性。

设计完成之后可以选择一个风机对该故障预测系统的应用效果进行检验，实践检验表明，该系统能够较好的检测及监控风力发电机的振动信号，且系统运行时比较稳定，可以应用于风机的故障预测工作之中。

3 結束语

本次研究中基于三轴加速度传感器网络模型设计了一个风机故障预测系统，该系统的主要作用是监测风机叶片的振动情况，利用该系统能够提取分析出风机叶片发生机械振动时低频域对风机破坏性最大的特征，在此基础上，对传统的轴承振动检测的方法进行了改进，应用效果较好。

参考文献

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[2] 陈士忠，崔国庆，张珂等.新型风机叶片维修平台的设计与分析[J].机械设计与制造.2014（03）

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