大型风力机传动系统故障预示及运行安全性预测方法研究

发布时间：2020-06-19 22:44

【摘要】：近年来随着人们环保意识的增强,风能作为一种可再生的清洁能源越来越受到关注,目前风力发电技术在全球范围内被广泛的应用。风力机各部件的故障诊断和运行安全性预测是影响风力发电机健康可持续发展的两个重要因素,逐渐成为了研究热点。传动系统是风力机的核心部分,其运行的稳定性对整体风力机设备的性能起着至关重要的作用。作为影响风力机稳定运行的重要元件,传动系统故障诊断准确性的优化与提升对提高风力机工作效率,降低风力机运行维护成本有着重大的研究价值,并对风力发电的进一步普及和应用有着深远的社会意义与环境意义。风力机传动系统中不同部件的特征频率不同,差异较大,需根据不同工况条件进行分类研究,以达到准确提取各类故障特征的目的。目前在风力机运行安全性预测方面仍缺乏理论基础研究,无法实现对其运行状态的预测,这也使得风力机的运行维护成本居高不下,制约了风电行业的发展。本文的研究工作首先针对传统随机共振方法在应用过程中普遍存在的系统参数选择的盲目性和应用频率范围的局限性,引入了量子粒子群优化算法得到了能够根据不同输入信号调整系统参数的自适应随机共振。之后又引入了频率信息交换方法,使高频特征信号能够被转移到随机共振较为敏感的低频参考信号处,解决了随机共振对高频信号处理效果不佳的问题。还将随机共振与变分模态分解相结合,使两种方法能够在信号处理中发挥出各自的优势,通过仿真分析证实了自适应随机共振与变分模态分解相结合进行特征提取的适用性与精确性,为进一步地实现对风力机传动系统的故障预示提供了理论基础。以随机共振、量子粒子群优化和变分模态分解三种方法为理论基础分别对风力机电机轴承和主轴承进行了故障诊断方法研究。针对风力机电机轴承的故障特征频率较高的特点,提出了基于频域信息交换的量子粒子群自适应参数匹配随机共振方法来实现故障的预示,并考虑了风速变化对故障特征提取的影响,扩展了频率信息交换方法的应用范围。针对风力机主轴承背景噪声比较复杂的特点,采用基于自适应随机共振降噪和变分模态分解的风电机组轴承故障提取方法来实现故障预示,并考虑了风速变化引起的优化计算复杂的问题,提出了变尺度随机共振方法,提高了故障诊断的效率。针对风力机传动系统运行状态预测方面的问题,基于时间型最小二乘支持向量机提出了联合最小二乘支持向量机,不仅充分考虑了状态特征参数随时间的变化规律,还考虑了参数之间的互相影响与制约,通过对所采集的样本数据的计算,证实了联合最小二乘支持向量机优于时间型最小二乘支持向量机和空间型最小二乘支持向量机,提高了预测精度。针对风力机传动系统预测过程中计算结果数据量庞大不便于观察的问题,对比了主成分分析方法和流形学习方法两种降维方法,计算结果表明流形学习方法在降维过程中能够更好的保留有用信息,最终选择用流形学习方法对特征参数矩阵进行降维处理,使故障特征可以通过直观的三维图形呈现出来,实现了对风力机传动系统运行安全性方面的预测。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315
【图文】：

图 2.14 QPZZ-Ⅱ旋转机械振动故障实验平台Fig. 2.14 QPZZ-II rotating mechanical vibration fault test platform图 2.15 实验轴承的时域波形和频域谱图Fig. 2.15 The time domain waveform and frequency domain spectrum of the experimental bearing实验轴承原始振动信号由 VMD 分解，将由 VMD 得到的分解信号进行包络处理，然后对包络信号进行快速傅立叶变换，VMD 分解结果和 FFT 变换结果分别如图 2.16和图 2.17 所示。VMD 分解结果表明，VMD 方法解决了模式混合现象，但该分量仍然0 0.1 0.2 0.3-101采样时间/sa 时域波形幅值/(m-s·2)0 2000 4000 6000 800000.10.2频率/Hzb 频域谱图幅值/(m-s·2)

风力机参数 数值型号 D70额定功率 1.5 MW额定风速 12.5 m/s切入风速 3 m/s切出风速 25 m/s转速范围 11-22 r/min扫风面积 3904 m2电机额定转速 1500 r/min频率 50 Hz传动比 1:90.11齿轮箱结构 1 级行星轮和 2 级斜齿轮功率调节 主动变浆、主动偏航、双馈变速变桨距控制工况温度 -30℃-40℃冷却方式 空气冷却服役时间 2 年表 3.2 测试轴承型号及参数Tab. 3.2 Type and parameters of the test bearing承型号 轴承名称 内径尺寸 外径尺寸 节径尺寸 滚动体数61824绝缘深沟球轴承120 mm 150 mm 135 mm 8

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