风电机组齿轮箱健康管理探究
（中国兵器科学研究院宁波分院，浙江 宁波 315103）摘 要：风力发电的迅速发展带来了巨大市场机遇，但是风电机组工作条件恶劣，且国内风机缺乏自主研发能力，大批现有运行风电机组将逐步超出质保期，风电维保存在着巨大挑战。齿轮箱作为风电机组的关键部件，一旦发生故障，将造成近百万元的经济损失和长时间机组停机事件的发生。究其原因，除了制造质量和自然灾害外，近 70%的齿轮箱故障源于润滑维护不当。实现风电机组齿轮箱油液指标远程在线状态监测的网络化、智能化的全优润滑技术势在必行。
关键词：风电齿轮箱 健康管理
1.国内外现状及趋势分析
目前国内外风电齿轮箱维护方式主要包括：1）按周期换油（不同厂家 2-3 年、3-5 年不等），但这种方式具有盲目性，会导致维修过剩或者维修不足的缺陷；2）每年取样检测一次油品质，这种方式周期太长、指标控制不够严格；3）智能监测与自动维护+状态检修，该技术具有智能维保及针对性检修的优势。由于技术手段和成本因素的限制，现阶段我国风电场主要采用按周期换油和定期检修两种检修模式，少有的用智能监测技术的风电企业也大都依赖国外技术。
上世纪 90 年代的全球化浪潮促使美国工业界开始关注设备润滑对降低维修成本、提升企业竞争力的价值。随着认识的深入，全优润滑逐步成为美国制造业竞相投入和高度重视的领域，并被形象地称之为“尚未挖掘的金矿”、“引领世界设备维修与管理的新潮流”。新日铁在上世纪 70 年代的开始全优润滑实践，经过 20 年的持续努力，新日铁取得了显著成果。例如，新日铁 Kimitu 钢厂将设备故障次数从 70 年代的每月 365 个降低到 90 年代的每月 12 个，足足下降了 97%。新日铁 Nagoya 钢厂通过 5-6 年的不懈努力，使轴承采购量下降 50%，液压泵的更换率降低 80%，液压油的消耗降低了 83%，各种泵的大修、以及与润滑有关的失效共计下降了 90%。
2.研究内容及目标
一、项目研究内容、研究方法及技术路线
（一）项目的主要研究内容
智能监测维保系统顾名思义分为监测和维保两大块，监测方面需解决的的关键科学问题和主要技术难点在于：
1.闭环控制的稳压恒流监测技术
用来保证在测试过程中流过监测单元的油液要有一个稳定的压力和流量范围，保证测试数据的精度。这一关键技术是通过下面的途径来实现的：
1)在监测油泵的进油端加装溢流阀，通过调整溢流阀保持进油压力的稳定；2)在监测单元的出油端加装电子流量计和电磁阀，电子流量计将监测到的流量数值送到数据处理模块，通过与设定值的比较来控制电磁阀的开启度，从而调整出口油的流量；3)试验测得不同型号油品对应的压力和流量范围，作为标准值在实际监测时进行设定。
2.基于DSP+CPLD及高精度同步AD为核心的数字式一体化现场监测单元设计数据采集与处理模块是系统数据分析的核心部分，负责完成数据采集、动态数据交换以及数据运算、统计、存储、合理性检查、删除等功能。使用嵌入式微处理器及高精度 AD 进行数据采集与分析，一体化设计避免了传感器信号远距离传输带来的不可靠性及不稳定性，提高系统的抗干扰能力。系统的硬件电路主要包括：信号输入模块、信号调理模块、信号采集模块、信号处理模块及通信接口模块。分模块结构化设计，保证了系统的通用性。
3.多信息技术融合，智能控制、自动净化在线监测系统上位机软件开发：
开发升级在线监测系统上位机软件，将多种传感器测得数据集成显示，能实时显示各监测点参数值和变化值，生成参数变化趋势曲线和矩阵图等进行系统分析，采用小波除噪、谐波处理等优化自动检测与自动控制程序。
（二）项目拟采取的研究方法
1、针对项目研究拟解决的问题，拟采用的方法、原理、机理、算法、模型等。
本项目拟解决风电齿轮箱油液在线智能监测及自动维护。风电机组齿轮箱油液远程在线监测系统通过监测风力发电机的“血液”——齿轮箱润滑油的成分变化来预警风机是否要发生异常。现场服务器通过互联网将风电场和风电机组的数据实时传送到远离风电场的远程监测中心，在远程中心上直接显示风电场运行状态，实时显示风电机组的设备状态，并提供设备的状态分析方案。监测数据包括油液常规指标（粘度、水含量、密度、介电常数以及温度），及磨损产生的铁磁性与非铁磁性金属颗粒的大小和数量。这些监测数据不仅能够反映在用油品的状态、准确的换油期等，还能判断风机齿轮内部磨损程度、磨损部位，进而实现风机齿轮箱运行状态实时监测，最终达到变定期维护为视情维护，变出现故障后的补救式维修为预警式维修，减少维修和维护费用的目的。
智能监测系统发现油液指标异常时(主要包括磨屑、含水量等)，自动维保功能开始启动，油液动态流动经过新型拦截式过滤系统及油水分离脱除系统后再回流入风电齿轮箱中，进而延长油品使用寿命。
2、研究方法（技术路线）的可行性、先进性分析整个系统包括智能监测和自动维保，首先智能监测具有可行性：
依多传感器信息融合技术、计算机技术、单片机微控制器技术、通信技术、故障诊断技术等为基础，依据获得的油系统状态信息，对其工作状态作出评估、及时预测，对已经发生、正在发生或可能发生的故障进行分析、判断和预警，明确故障的性质、类型、程度、原因，指出故障发生和发展的趋势及其后果，辅助用户提出控制故障发展和消除故障的有效对策，并根据设定自动采取报警、净油、补油、换油等措施，整个过程的数据可以储存、打印、上传到上位机和远程。
二、主要创新点
1. 创新点 1：研发新型高分子材料破乳、分离、脱除油中水分；2. 创新点 2：颗粒污染监测传感技术，利用国际公认的遮光原理，开发高精度颗粒污染度传感器，替代欧洲进口产品；3. 创新点 3：将检测与净化结合的全智能型设备，按设定周期启动，检测油品质状况，及时发现、及时对症处理，比如发现水分超标则及时启动脱水系统，发现颗粒超标则及时启动过滤系统（不脱水），指标合格后自动停机，等待下一个周期。检测单元在国外先进检测原件的基础上自主开发，可与实验室对比，保证了其准确性与稳定性；三、项目目标及预期经济社会效益油液智能监测及自动维保项目主要针对目前国内风电机组齿轮箱维保所采用的按周期换油和定期检修两种检修模式所面临的“维保不足”和“过度维护”的问题所开发。将物联网和云平台技术应用于油品的监测管理，是国家鼓励方向“在线监测、远程诊断”的实践性应用，推动企业设备润滑管理向“数据化、标准化、智能化、人性化”
方向发展。整套系统的开发应用对于风电机组运行安全性提供了有力保障，并且能够大幅降低维保成本。
