为风力涡轮机状态监测选择最佳振动传感器

作者：Richard Anslow and Dara O’Sullivan

保守估计表明，目前全球至少有四分之一的风力涡轮机安装。未来四年，全球风力涡轮机市场预计将增加278吉瓦的陆上容量和44.3吉瓦的海上容量。1这相当于至少 100，000 台 3 MW 风力涡轮机。随着可再生能源的增长以及国家电网的电力输入，风力涡轮机（WT）装置的可靠运行成为行业和政府机构进行重大研究的主题。对WT可靠性的定量研究表明，可靠性随着时间的推移而增加。例如，2016年美国国家可再生能源实验室报告2研究表明，包括变速箱在内的大多数WT子系统的可靠性在2007年至2013年间都有所提高，变速箱停机时间减少了七倍。然而，在2018年，齿轮箱仍然是材料成本最高的三个最有可能的故障地点之一。2,3变速箱每次故障的平均成本最高，主要更换平均成本为 230，000 欧元。4

齿轮箱部件的可靠性相对较差，因此需要对齿轮、轴承和轴的状态监测进行强调。除齿轮箱外，转子叶片和发电机是故障率最高的WT系统部件。5,6有许多商用风力涡轮机状态监测系统，其中大多数针对使用振动传感器的齿轮箱分析。7有一些市售的转子叶片监控系统7，但这是一个正在进行的研究领域。有大量文献支持在风力涡轮机中使用振动监测系统，包括对各种系统优势的详细调查和分析。8风力涡轮机应用的振动传感器要求不太清楚。本文提供了有关风力涡轮机组件、故障统计、常见故障类型和故障数据收集方法的系统见解。振动传感器的要求，如带宽、测量范围和噪声密度，将讨论与WT组件上的常见故障相关的问题。

系统组件、故障和传感器要求

图1和图2说明了风力涡轮机系统的主要部件，以及风力涡轮机齿轮箱的详细结构。以下各节重点介绍状态监测的齿轮箱、叶片和塔架要求，重点介绍振动传感器。其他系统，如偏航驱动器、机械制动器和发电机，通常不使用振动传感器进行监控，通常监控扭矩、温度、油参数和电信号。

图1.风力涡轮机系统组件。

图2.变速箱结构。

变速器

风力涡轮机齿轮箱将机械能从低转速的转子轮毂传递到高速发电机。同时，WT变速箱承受着来自不同风速和频繁制动动作的瞬态脉冲的交变载荷。齿轮箱由低速转子轴和主轴承组成，在施加到转子叶片的风力的 0 rpm 至 20 rpm（小于 0.3 Hz）范围内运行。捕获增加的振动特征需要能够直接工作到直流的振动传感器。行业认证指南特别指出，振动传感器需要0.1 Hz的性能。9变速箱高速轴通常以 3200 rpm（53 Hz）的速度运行。为了提供足够的带宽来捕获轴承和齿轮故障的谐波，建议低速和高速轴的振动传感器性能高达10 kHz及以上。 9这是因为无论转速如何，方位共振通常在几千赫兹范围内。10

到目前为止，轴承故障是导致齿轮箱故障的最大原因。一些研究表明，齿轮的灾难性故障是轴承故障的根本原因。11当高速轴中的后轴承发生故障时，高速轴倾斜，导致与中间（中间）轴齿轮传动不均匀。在这种情况下，接触的齿容易失效，如图3所示。

图3.中轴齿轮断齿。

轴承润滑（缺油）对主轴轴承故障有很大影响。SKF NoWear等解决方案包括一种特殊的轴承涂层，12这可以帮助将缺油时间缩短六倍以上。

即使使用特殊的轴承涂层和其他齿轮箱改进方法，仍然需要使用合适的振动传感器监控齿轮箱主轴承和高速级轴承。振动传感器需要具有足够低的本底噪声，以便可以检测到低振动幅度（g范围）的早期轴承故障。较旧的MEMS技术，例如具有4 mg/√Hz本底噪声的ADXL001，可以充分捕获轴承外圈故障。13图4显示，外圈故障首先出现在大约0.055 g的频率峰值处，从噪声密度的角度来看，良好的轴承行为表现为小于2 mg/√Hz。参考数据采集系统的过程增益13从而大大降低噪声，从而可以测量2 mg/√Hz本底噪声。仅当DAQ系统获得足够的过程增益并且噪声是随机的时，才适合使用本底噪声为4 mg/√Hz的传感器。通常，最好使用本底噪声为100 μg/√Hz至200 μg/√Hz的振动传感器，而不是依赖于过程增益，因为过程增益仅在噪声是随机且不相关的时才有效。

本底噪声为 100 μ g/√Hz 至 200 μg/√Hz 的传感器具有足够的性能来捕获正常的轴承工作条件，并且在捕获 mg/√Hz 范围内的早期故障时具有出色的性能。事实上，使用本底噪声为100 μg/√Hz的MEMS传感器将能够更早地检测轴承故障。

图4.使用MEMS加速度计ADXL001测量的轴承外圈故障。

虽然初始轴承损坏小于 0.1 g，但高级轴承损坏特征通常发生在 1 g 时，这应该会触发维护。14图 5 显示，当振动幅度超过 6 g 时，可以进行齿轮箱维护和轴承更换。如前所述，轴承故障的谐波发生在更高的频率上。更高频率的测量需要具有更大g量程规格的传感器。这是因为测得的加速度g力与频率的平方成正比。因此，与低频下的相同故障位移相比，较高频率下的小故障位移会导致更高的g范围。测量范围高达 10 kHz 的更高带宽传感器通常指定为 50 g 至 200 g，非常适合风力涡轮机应用。振动传感器还需要覆盖由于结构冲击或突然机械断裂而导致的冲击载荷条件。因此，典型的商用振动监测系统的额定满量程范围至少为50 g至100 g。

图5.在 6 g 振动幅度下更换轴承。

对于风力涡轮机主轴承，至少需要一个单轴振动传感器，建议使用两个，并在轴向和径向进行测量。9轴承座圈的轴向开裂可将轴承寿命缩短至一到两年。

由于齿轮箱的复杂性，如图2所示，建议至少使用六个振动传感器进行状态监测。9传感器的数量和位置的选择应确保能够可靠地测量所有齿轮啮合和缺陷/旋转频率。对于变速箱低速级，需要一个单轴传感器，尽可能靠近齿圈放置。对于中速和高速级，太阳齿轮、中轴和高速轴位置需要一个单轴传感器。高速和中速轴承内圈的轴向裂纹已成为风力涡轮机齿轮箱寿命问题的主要原因。

对于齿轮箱监测，状态监测的未来改进领域包括采用无线振动监测系统，但可持续地为这些解决方案供电是一个正在进行的研究领域。

转子叶片

风力涡轮机转子叶片和轮毂组件捕获风并在低速时传递扭矩。叶片失效的主要原因包括极端风荷载、结冰或闪电等环境影响以及不平衡。这些会导致断裂和边缘裂纹，以及变桨系统故障。存在数量有限的商业振动监测系统，包括叶片内部和外部。8在刀片上使用MEMS振动传感器进行了许多学术研究，例如Cooperman和Martinez的工作，16这还包括陀螺仪和磁力计。这些传感器的组合输出用于确定风力涡轮机叶片段的方向和变形。相比之下，很少有商业振动监测系统可用，例如Weidmuller BLADEcontrol，®17它使用每个转子叶片内部的振动传感器来测量每个转子叶片固有振动行为的变化。BLADE控制系统专注于检测转子叶片上导致涡轮过度振动的极端结冰条件。

通常，大型风力涡轮机叶片（即直径40米及以上）的第一固有频率在0.5 Hz至15 Hz范围内。18涡轮叶片无线振动监测系统的可行性研究18表明振动激励引起的叶片频率响应明显超出了基波。其他研究19表明叶片边缘变形和叶片扭转变形引起的叶片频率存在显著差异。叶片边缘变形固有频率发生在 0.5 Hz 至 30 Hz 范围内，叶片扭转变形固有频率发生在高达 700 Hz 的范围内。 使用振动传感器进行超出基频的测量需要更大的带宽。DNVGL状态监测规范认证9建议对能够在 0.1 Hz 至 ≥10 kHz 频率范围内进行测量的转子叶片使用振动传感器，转子轴上有一个传感器，横向上有一个传感器。由于转子叶片的测量范围可能很高，振动传感器还必须具有至少 50 g 的大振幅测量范围，类似于齿轮箱轴承的要求。

带机舱的塔楼

风力涡轮机塔架为机舱外壳和转子叶片组件提供结构支撑。塔可能会遭受冲击损坏，从而导致塔倾斜。倾斜的塔将导致叶片相对于风向的角度不理想。测量倾斜度需要一个可以在零风条件下工作到0 Hz的传感器，以便仍然可以检测到倾斜。

地基的结构损坏会导致塔楼摇摆。塔摇晃监测内置于一些涡轮机状态监测系统中，但与齿轮箱振动监测相比，商用选项很少。8斯凯姆状态监测系统20使用加速度计、位移传感器、应变传感器和温度传感器监控叶片、塔架和基础。Scaime 加速度计满量程范围报价为 ±2 g，20根据DNVGL规范，监测的频率需要在0.1 Hz至100 Hz范围内。9如前所述，在静态条件下（无风力）发生塔架结构故障导致倾斜的情况下，频率下限降低到 0 Hz。对于倾斜测量，需要具有出色直流稳定性性能的传感器。ADXL355等MEMS传感器采用密封封装，可实现业界领先的0 g失调稳定性。

研究21验证最小量程为 ±2 g 的振动传感器是否足以用于塔式监测。在正常运行模式下，最大风速为 25 mps，塔的加速度 g 水平小于 1 g。事实上，风电机组在“基于现场测量和有限元分析的风电机组塔架基础系统可识别应力状态”21研究的额定风速为 2 MPS 至 25 MPS，风力涡轮机功率在 25 MPS 风速下关闭（切断）。

总结

表1总结了基于风力涡轮机应用要求的振动传感器要求。传感器的数量、测量方向和频率范围在状态监测规范的DNVGL认证中给出。9如前所述，0 Hz性能对于监测塔结构问题非常重要。表1还总结了基于本文提供的现场研究和测量的适当幅度范围和噪声密度。

元件	不。传感器数量	测量方向	频率范围	加速度范围	噪声密度
转子叶片	两个单轴	轴向和横向	0.1 赫兹至 ≥10 kHz	±50 克（最小）至 100 克	≤1 mg/√Hz 捕获一般故障
主轴承	两个单轴	径向和轴向	0.1 赫兹至 ≥10 kHz	±50 克（最小）至 100 克
变速箱低速（齿圈）	单轴	径向	0.1 赫兹至 ≥10 kHz	±50 克（最小）至 100 克	≤需要 100 μg/√Hz 至 200 μg/√Hz 来捕获早期状态轴承故障
中高速变速箱（太阳齿轮、中速和高速轴）	三个单轴	径向和轴向	10 赫兹至 ≥10 kHz	±50 克（最小）至 100 克
发电机轴承（舷内和舷外轴承）	两个单轴	径向	10 赫兹至 ≥10 kHz	±50 克（最小）至 100 克	捕获正常工作条件所需的 ≤100 μ克/√赫兹至 200 μ克/√赫兹
塔和机舱	两个单轴	轴向和横向	0 赫兹至 ≥100 赫兹	±2 克（最小值）

故障数据采集方法

所有大型公用事业WT都有一个标准的监控和数据采集（SCADA）系统，主要用于参数监控。监控参数的示例包括齿轮箱轴承温度和润滑、有功功率输出和相电流。一些参考资料6讨论使用SCADA数据对风力涡轮机进行状态监测，以检测趋势。杜伦大学的一项调查7列出多达 10 种商用状态监测系统，这些系统可以使用标准协议与现有 SCADA 系统进行调整并完全集成。一个例子是GE Energy ADAPT。风。22对未来技术趋势的广泛调查7表明在风力涡轮机上安装振动监测系统的明显趋势。

适用于风力涡轮机状态监测的振动传感器

在 0.3 Hz 或以下，基于压电的振动技术难以捕获或无法捕获振动特征。这意味着转子叶片、主轴承、低速齿轮箱和塔架等低速WT部件无法得到适当监控。基于MEMS的传感器性能低至0 Hz，可以捕获所有主要风力涡轮机组件的关键故障。这为客户提供了WT的单一振动传感器解决方案，仅使用MEMS测量0 Hz至10 kHz及以上的故障。

适用于 CbM 的技术	转子叶片	主轴承	变速箱低速	变速箱中高速	发电机轴承	带机舱的塔楼
微机电系统	✓	✓	✓	✓	✓	✓
压电的	✗	✗	✗	✓	✓	✗

除了能够捕获所有关键故障外，MEMS还具有以下优势：

宽g测量范围和超低μg/√Hz噪声密度，轻松满足表1中的要求。

MEMS具有内置的自检（BIST）功能。系统操作员无需访问WT即可测试/确保传感器正确运行，从而节省成本。相比之下，基于压电的技术没有BIST功能。

与基于压电的解决方案相比，MEMS接口在数据接口和电源方面更加灵活。将高阻抗压电传感器输出转换为长电缆的选项有限。最常见的实现方式是2线IEPE接口，它通过第二根地线在共享电源/数据线上为压电传感器供电。IEPE使用与压电器件匹配的放大器来提供低阻抗电缆驱动解决方案。IEPE接口解决方案可用于MEMS传感器，但MEMS传感器还可以更轻松地与使用现场总线（RS-485，CAN）或基于以太网的网络运行的现有系统集成。这是因为MEMS传感器具有模拟输出或数字输出（SPI，I2C），可以很容易地转移到其他协议。

环境性能：WT通常在–40°C至+55°C的温度下工作，MEMS器件很容易满足这一要求。

与基于压电的传感器相比，MEMS随着时间的推移具有更好的灵敏度/线性度。ADI公司加速度计的非线性度非常低，通常可以忽略不计。例如，ADXL1001 MEMS加速度计在满量程范围内的典型非线性度规格小于0.025%。相比之下，对基于压电的传感器进行标准化测量的学术研究报告了0.5%或更低的非线性。23

目前可用的基于MEMS的振动传感器和解决方案

传感器

使用ADXL1002、ADXL1003、ADXL1005和ADcmXL3021 MEMS传感器可以轻松满足风力涡轮机应用中振动监控的所有带宽、范围和噪声密度要求（如表2所示）。ADXL355和ADXL357也适用于风力涡轮机塔架监控，具有较低的带宽和距离测量性能。ADXL355/ADXL357具有出色的直流稳定性，这对于测量风力涡轮机塔架倾斜度非常重要。ADXL355/ADXL357密封封装可确保出色的长期稳定性。ADXL355的使用寿命为±3.5 mg以内，为倾斜测量提供高精度传感器。

微机电系统传感器	不。轴数	范围（±克）	带宽（千赫）	噪声密度 （μ克/√赫兹）
ADXL355	3	2, 4, 8	0 到 1	25
ADXL357	3	10, 20, 40	0 到 1	80
ADXL1005	1	100	0 到 23	75
ADXL1003	1	200	0 到 15	45
ADXL1002	1	50	0 到 11	25
ADcmXL3021	3	50	0 到 10	26

风力涡轮机状态监测解决方案

无线电

ADI公司提供一整套经过验证的参考设计、评估系统和即插即用机器健康传感器模块，以加快客户设计工作。图6显示了ADI公司的无线振动监控评估平台。该系统解决方案结合了机械附件、硬件、固件和 PC 软件，可实现单轴振动监测解决方案的快速部署和评估。该模块可以通过磁性方式或通过螺柱直接连接到电机或夹具上。它还可以与同一无线网状网络上的其他模块结合使用，以提供具有多个传感器节点的更广阔的图像，作为基于状态的监控（CbM）系统的一部分。

CbM硬件信号链由安装在模块底座上的单轴ADXL1002加速度计组成。ADXL1002的输出被读入低功耗微控制器ADuCM4050，在那里进行缓冲、变换至频域并流式传输到SmartMesh IP微尘。ADXL1002的输出通过SmartMesh芯片无线传输到SmartMesh IP管理器。管理器连接到PC，可以进行数据的可视化和保存。数据显示为原始时域数据和FFT数据。有关时间汇总数据的其他汇总统计信息可用。PC端GUI的完整Python代码以及部署到模块的C固件可用于客户适应。

有线

ADI公司的Pioneer 1有线CbM评估平台为ADcmXL3021三轴振动传感器提供工业有线链路解决方案。CbM硬件信号链由一个三轴ADcmXL3021加速度计和一个广濑柔性PCB连接器组成。ADcmXL3021 Hirose 连接器具有 SPI 和中断输出，连接到接口 PCB，通过数米的电缆将 SPI 转换为 RS-485 物理层，连接到远程主控制器板。SPI 到 RS-485 物理层转换可通过隔离式或非隔离式接口 PCB 实现，包括耦合器隔离器 （ADuM5401/ADuM110N） 和 RS-485/RS-422 收发器 （ADM4168E/ADM3066E）。该解决方案通过一根标准电缆将电源和数据结合在一起，从而降低了远程MEMS传感器节点的电缆和连接器成本。专用软件GUI支持ADcmXL3021器件的简单配置，并通过长电缆捕获振动数据。GUI 软件支持以原始时域或 FFT 波形的形式实现数据可视化。

结论

本文已经证明，基于MEMS的传感器可以测量风力涡轮机关键系统组件上的所有关键故障。MEMS传感器带宽、测量范围、直流稳定性和噪声密度是理想规格，在风力涡轮机应用中具有出色的性能。

MEMS内置自检（BIST）、灵活的模拟/数字接口以及随时间推移的出色灵敏度/线性度是MEMS传感器成为风力涡轮机状态监测最佳解决方案的其他原因。维护系统以检测基于振动的早期错误是一项现代技术，可以防止整个风力涡轮机代价高昂的停机时间。

审核编辑：郭婷