基于机器视觉的风机叶片检测装置设计方向

张越

摘要：可再生能源的开发与应用，风能以其资源丰富、分布广泛以及对环境影响小等特点，在未来一段时间内必然成为世界主要的能源开发方式，各国对风能资源的开发利用也将成为今后的重点。叶片作为风电机组的重要组成部分，在恶劣的自然环境中很容易发生损伤。损坏后的叶片将对风电场造成严重的经济损失，也对风力发电机的安全运行构成了很大的威胁。因此对风机叶片损伤的检测开发合理的检测装置是尤为重要。但目前，各风电企业对叶片的实时检测装置设计领域发展不成熟，仍处于装配前的检测装置设计。文章从风机叶片检测装置的设计需求入手，在分析风机叶片检测装置的发展现状及潜力基础上，对风机叶片检测装置的设计方向与发展趋势进行阐述，希望对以后风机叶片检测装置的发展提供一些有益的参考和借鉴。

关键词：风力发电机；叶片；检测装置；设计方向；发展趋势

根据对目前所有的能源分析，风能在所有能源开发领域，都属于清洁无污染类型，符合未来的能源开发方向。因为风能开发利用所具有的种种特点，因此被世界各国广泛关注。在所有的风能开发利用过程中，风力发电机叶片构成了全部工作的重中之重，风力开发的主要原理是通过高空风力作业，来带动风力发电机叶片的转动，再通过能源转换装置，将风能转化为机械能，整个工作流程不产生对环境的污染，而其能否顺利完成风能到机械能的转化，主要取决于风机叶片。且随着机组容量增大，叶片长度增加，与地面距离变大，发生损伤的概率变大。对风机叶片进行状态监测和损伤识别研究受到越来越多的学者关注，因此配合风机叶片检测的装置设计也有了更多的设计方向。

一、叶片检测的重要意义

叶片作为整个风力发电机组的重要装备，对风机能否正常工作，风能是否可以顺利转化为机械能产生了决定性作用，因此风机叶片的检测工作具有十分重要的意义。从成本角度进行考量，风机叶片也成为了检测工作的重点内容，风机叶片占据了整个装置的很大一部分成本，根据我国大多数风力设备生产机构提供的资料进行分析，可以发现大多数风力设备，其叶片成本至少占据了所有成本的1/5。而风机作业需要面临环境多样，其中不乏极其恶劣的气候条件，例如，在风沙较大的地区，叶片受损程度远比平常地区要严重得多，出现故障的情况也比较频发。及时检测叶片工作状态有利于防止出现较大的故障，在叶片出现问题的情况下，可以进行有效的维护，以帮助整个机组的有效工作。

根据风机设备的限制条件，其装机容量与风机叶片出现故障之间存在正连接，也就是说，风机设备装机容量越大，叶片也就需要更大的工作面积，由此带来的叶片故障可能出现的频率也随之增加。英国凯斯内斯风电场信息论坛统计出大量的风机设备数据， 因叶片故障未曾及时维护，导致出现整体机组无法继续工作，引起机组其他关联设备随之损坏的情况越发频繁。如图1所示。

从图1中数据可以了解到，叶片故障的发生频率越发频繁，这往往是由于风力发电越来越成为趋势，而技术革新方面相对处于滞后状态，无法适应各种恶劣的工作环境，再加上相关人员的维护不力，对维护知识体系的学习接受依旧存在问题，等一系列原因导致的。从大量的风机叶片损坏事件中可以看出，加强对设备的维护工作必然在今后成为风力发电工作的重要内容。而由于现阶段依旧缺乏相关完善的检测设备，人工检测依旧成为风力发电设备故障检测中的重要组成部分。

二、现阶段检测装置的设计现状及困境

（一）检测装置的发展现状

最早的无损检测技术——人工目视检测始于20世纪中期，主要依靠工作人员凭借肉眼观察结构体表面裂纹。由于受到人眼分辨力的限制，长时间观测过程中人眼会因结构体表面照度、颜色和光照环境的影响产生视觉疲劳以及空间分辨率降低，从而产生遗漏裂纹等错误统计现象。同时，由于工作人员的检测评判标准和主观经验不一致，很难形成统一客观的评判标准。随后为了提高检测效率，从而运用了高灵敏度检测器件，检测速度相对较快。当前传统无损检测技术的学科范畴虽然涉及到社会生产与生活的各个领域与针对各种研究对象，并且各种检测方法都在适用范围或领域内具备自己独特的优点，但是绝大多数检测方法的实现还是停留在需要满足相应条件的前提下进行的人为操作或依靠高灵敏度检测器件辅助完成。

当前我国风力发电机叶片的材质已经由传统材质逐步向增强复合材料发展，特别是在大中型风力发电机中，新型玻璃钢材料已经逐渐成为主要的叶片材质。所以，对于风力发电机叶片内部裂缝和残缺的检测我们通常使用微波探伤技术。通常采用微波测距和超声波探测两种测量技术，这两种测距方式都是属于非接触式的测量技术。但是，在检测装置中采用超声波探测仪更加方便快捷。在对叶片翼型上下两个表面进行检测时，装置在设计上应当采用至少 6 对以上的超声波探测探头，以确保能够达到更加精确的测量结果。超声波探测技术利用物体内部状态发生改变时会自动发出瞬态弹性声波的原理实时监测物体缺陷。可以对无线电波、光波等无法穿过的物体进行穿透，同时也可以在具有不同抗性的两种物质交界面上进行反射。

（二）检测装置的发展困境

目前针对叶片的检测主要设备安装之前，在设备安装完成之后，往往由于风机叶片工作环境处于高空，且工作环境十分恶劣，因而对设备的检测工作往往十分滞后。一旦发生故障，引起风机叶片整体脱落或者部分脱落，都会对其他设备造成危害，而造成的经济损失是十分巨大的。现阶段，由于缺乏完善的检测设备，需要定期的进行人工检测，因此，对检测人员的理论培训就显得十分重要。尽管从大量的风机故障事件中，业界已经遭受了沉重的代价，越来越认识到加强设备检测的重要性，但是尚未形成完整的检测体系，造成检测工作的相对滞后。由于以上原因，风机设备的检测工作十分困难，在排除了检测工作十分困难的情况下，设备的维护工作也显得十分重要，及时地排除微小故障，有利于最大化的发挥风机设备的经济效益，减少维护工作的成本以及时间。

而且发电机的叶片截面、翼型的弦长、厚度等都是变化的，为了能够精准测量，爬升装置的整体框架应当设计成为大小可以灵活变动的，这样当风力发电机的叶片截面发生变化时，爬升装置能够随之发生变化，以此来确保装置能够更加接近风力发电机叶片，而叶片检测探头能夠更加贴近叶片表面进行检测，以便能够更加清晰的观察叶片表面的情况，从而更好地判断叶片的情况。

因此面对现在检测装置的发展困境，我们需要根据现有技术探索出风机叶片检测装置设计的新方向。

三、基于机器视觉的风机叶片检测装置设计方向

科学的检测体系有利于促进维护工作的进展，避免出现重大事故，最大化的发挥风机设备的价值。基于数字图像处理和目标识别对风机叶片进行检测，将成为今后检测工作的重要研究内容，因其可以最大化的节约人工成本，减少物资消耗而成为风电设备检测的重要方法。因此对于叶片的合理检测装置是保障机组安全可靠运行的重要手段。但目前大部分对风机叶片的检测装置设计方向研究都只在实验室中进行，要用于实际的现场风机叶片检测装置，还有许多技术问题需要克服。

通常风力发电机叶片在出厂时都是经过合格检测的，后续运行和使用中出现的问题大部分都是从叶片表面比较细微的裂纹开始的，所以检测装置在对运行状态下的叶片进行检测时，主要就是针对叶片表面是否存在细微的裂纹。因此在對检测装置进行设计时需要考虑针对该方向进行设计，可以考虑在装置上安装高清摄像头，用于对风力发电机叶片表面细纹裂纹的检测和发现，特别是对于叶片的叶尖和前缘部分，更是裂纹检测的重点部位。根据此提出基于机器视觉的风机叶片检测装置的设计方向。该检测装置的设计方向在检测过程中，发现叶片表面存在裂纹后，就可以根据裂纹的表象来判断叶片裂纹是否具有严重的危害，以便能够及时对叶片表面裂纹进行修复，以防止更加严重的事故发生，从而影响风机发电机的正常工作，并造成严重的经济损失。

当前风力发电发展速度较快，我国风力发电机组数量更是与日俱增，使得风力发电机叶片在运行过程中出现故障的概率也同等增加。因此，加强对风力发电机叶片检测装置的研究具有重要的意义，有利于减少风力发电机叶片故障，降低经济损失。

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（作者单位：昆明理工大学机电工程学院）