一种风力发电机组轴对中监测调节装置及监测调节方法

技术领域

本发明涉及风力发电机领域，具体涉及一种风力发电机组轴对中监测调节装置及监测调节方法。

背景技术

实际运行过程中，由于风力发电机组的连轴系统的原因，与发电机组增速箱输出轴相连接的发电机输入轴之间可能会产生偏移现象。如不及时进行轴对中状态恢复，会对发电机组设备主轴产生扭曲磨损情况，也会导致联轴器在运行过程中偏转增大情况。为了提高风电场发电效率并完成发电指标，快捷高效地对风电机组进行轴对中调节十分必要。中国专利202110959445.2公开了一种风力发电机组轴电控对中调节装置及方法，利用设置在风力发电机左、右两侧的调节部件，利用液压进行驱动调节。虽利用自控化方式提高了风力发电机轴对中调节效率，但调节过程需要将风力发电机组停机，调节时间较长。中国专利202110959443.3公开了一种增速箱高速轴与发电机轴对中监测调节装置的调节方法，利用安装在风力发电机增速箱、发电机主轴位置的监测装置对风力发电机轴对中状态进行监测，利用设置在风力发电机底部左右两侧的液压调节装置进行调节，此专利监测装置与调节装置配合对风力发电机进行实时对中调节。虽实现了风力发电机轴对中实时调节，但调节装置缺少自由度，无法对风力发电机轴线方向偏移进行调节。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种风力发电机组轴对中监测调节装置及监测调节方法，当发电机组轴发生偏移现象时能够实时进行对中调节，且调节过程中无需将风力发电机组停机。

技术方案：本发明的风力发电机组轴对中监测调节装置包括监测装置、调节装置、监控计算机、液压站及电液比例阀；所述监测装置包括多个监测应变片，对称布置在联轴器表面，联轴器将增速箱高速轴和发电机主轴相连；所述调节装置包括安装在发电机基座上的静平台、安装在风力发电机下方对其进行支撑的动平台、静平台和动平台之间连接支腿系统；所述监控计算机通过模拟量采集模块控制电液比例阀，电液比例阀和支腿系统中的液压缸连接；当增速箱高速轴和发电机主轴发生偏移时，多个监测应变片受力产生形变，电阻值会发生相应变化，采集各监测应变片的电压值并将数据实时反馈至监控计算机，由监控计算机判断此时风力发电机组轴对中状态，并控制液压站向电液比例阀输出的油液流量，由电液比例阀控制支腿系统中液压缸的伸缩，从而调节风力发电机位姿，恢复对中状态。

所述发电机主轴上安装绝对式编码器，用以获取监测应变片随增速箱高速轴、发电机主轴旋转时的位置，便于调节装置进行对中调节。

所述支腿系统包括多个支腿，每一支腿包括上虎克铰链、连接块、液压缸、回转轴承、下虎克铰链、拉绳传感器、滑轨；所述上虎克铰链下方依次连接连接块、液压缸、回转轴承、下虎克铰链；所述上虎克铰链上法兰通过螺栓与动平台连接，下虎克铰链上法兰通过螺栓与静平台连接；所述拉绳传感器安装在液压缸一侧，用于测量液压缸活塞杆位移，滑轨安装在液压缸另一侧，用于限制液压缸活塞杆旋转自由度。

所述上虎克铰链下法兰与连接块之间、液压缸与回转轴承之间、回转轴承与下虎克铰链之间均通过至少两个连接板相连，通过连接板的方式将虎克铰链、回转轴承、连接块、液压缸进行连接，增强了各标准件之间的互换性，且连接板价格低廉，加工方便。

所述电液比例阀分别与支腿系统中各支腿上的液压缸相连，且在各支腿分油路上均设置普通换向阀；利用一个电液比例换向阀阀控制总油路，各支腿分油路分别用普通换向阀，有效降低了成本。

所述调节装置中静平台和动平台上的各支腿支撑点呈等腰三角形布置。

本发明还包括一种风力发电机组轴对中监测调节方法，包括以下步骤：

S1：利用A/D采集模块采集A

S2：判断电压信号U

S3：若电压信号U

S4：根据偏移形式以及偏移方向利用风力发电机对中调节装置对发生偏移的风力发电机进行位姿调节；

S5：初步调节后，将此时增速箱输出轴应变片、发电机主轴应变片采集的电压数据与初始数据进行比对；

S6：若比对相差值在阈值内，则调节完成；若超出阈值则回到步骤S3继续调节。

步骤S3中，所述根据绝对编码器以及增速箱输出轴应变片、发电机主轴应变片输出电压数值判断增速箱高速轴与风力发电机主轴偏移形式、方向，具体包括以下步骤：

S3.1：若电压信号U

S3.2：若电压信号U

S3.3：若电压信号U

步骤S4中，所述根据偏移形式以及偏移方向利用风力发电机对中调节装置对发生偏移的风力发电机进行位姿调节，具体包括以下步骤：

S4.1：拉绳传感器采集各支腿活塞杆位移，计算得到各支腿当前长度，并计算此时风力发电机组对中调节装置的动平台位姿；

S4.2：根据偏移形式以及偏移方向确定动平台调节运动所要达到的最终位置和姿态；

S4.3：计算对中调节平台调节运动至相应位姿各支腿液压缸活塞杆所需运动伸缩量；

S4.4：控制对中调节装置第i条支腿活塞杆运动伸缩量Δl

S4.5：调节完毕，返回至第一步继续监测风力发电机组轴对中状态

步骤S4.2，所述根据偏移形式以及偏移方向确定动平台调节运动所要达到的最终位置和姿态，具体为：

若发生X轴正方向偏移，则位置

若沿Y轴

若沿Z轴

若发生绕Y轴

若发生绕Z轴

有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)当发电机组轴发生偏移现象时，能够在风力发电机组不停机的状态下对其进行实时对中调节；

(2)传统监测方式利用测距传感器、声发射传感器、振动传感器等对风力发电机组轴对中状态进行监测；利用传感器对轴对中状态监测的方式，需当风力发电机组轴出现明显偏移时才可有效监测。本方案采用半导体应变片作为监测元件，利用半导体应变片具有灵敏系数大、机械滞后小、阻值范围大、横向效应小等特点，可以快速且准确反映被监测轴状态；此外，应变片价格低廉，适合装配各风力发电机场大量风力发电机组，有效控制成本；

(3)对传统六自由度并联平台结构进行改进，使改进后的对中调节装置占用风力发电机机舱空间更小，对风力发电机矩形底座支撑更稳定；利用虎克铰链与回转轴承替代球铰链，保证与球铰同样三自由度的基础上弥补球铰链约束角度不足的缺点；

(4)根据绝对式编码器可知应变片旋转位置，便于对中调节装置进行对中状态恢复。

附图说明

图1为本发明所述风力发电机组轴对中监测调节装置的整体结构图；

图2为本发明中监测应变片与联轴器的安装示意图；

图3为本发明中对中调节装置的结构示意图；

图4为支腿系统中单支腿的剖视图；

图5为图4中A处的结构放大图；

图6为图4中B处的结构放大图；

图7为本发明中支腿系统的布局改进示意图；

图8为本发明中对中调节装置的液压系统图；

图9为本发明中液压系统控制电路框图；

图10为液压系统控制电路示意图；

图11为本发明中监测应变片供电与电压采集电路的电路图；

图12为对中状态良好时监测应变片的结构示意图；

图13为平行不对中过程应变片监测应变片的结构示意图；

图14位平行不对中过程双臂半桥电路输出电压变化规律示意图；

图15为角度不对中过程监测应变片的结构示意图；

图16为角度不对中过程双臂半桥电路输出电压变化规律示意图；

图17为对中监测方法流程图；

图18为对中调节方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示，本发明的风力发电机组轴对中监测调节装置包括监测装置5、调节装置、绝对式编码器7、导电滑环8、监控计算机13、液压站14及电液比例阀15。风力发电机组包括自左向右依次连接的增速箱1、增速箱高速轴2、刹车盘3、联轴器4、发电机主轴6、风力发电机12。联轴器4将增速箱高速轴2和发电机主轴6相连。监测装置5包括6个监测应变片，分为三组，对称布置在联轴器4表面。绝对式编码器7和导电滑环8安装在发电机主轴6上，绝对式编码器7用以获取监测应变片随增速箱高速轴2、发电机主轴6旋转时的位置。调节装置包括静平台9、动平台10及支腿系统11，静平台9安装在发电机基座上，动平台10安装在风力发电机12下方对其进行支撑，支腿系统11安装在静平台9和动平台10之间，将两者连接成整体结构。监控计算机13和液压站14安装在发电机基座上方，电液比例阀15安装在静平台9上方，监测装置5将监测到的对中状态数据传输至监控计算机13，监控计算机13根据监测数据控制对中调节装置，恢复风力发电机组轴对中状态。

如图2所示，以风力发电机主轴轴线方向作为X轴，以与X轴垂直并与地面平行的轴作为Y轴，以与X、轴Y轴和地面垂直的轴作为Z轴建立坐标系。监测装置5由监测应变片I 21、监测应变片II 22、监测应变片III 23、监测应变片IV 24、监测应变片V 25、监测应变片VI26组成，监测应变片I 21安装在联轴器4的A点处，监测应变片II 22安装在联轴器4的B点处，监测应变片III 23安装在联轴器4的C点处，监测应变片IV 24安装联轴器4的D点处，监测应变片V 25安装联轴器4的E点处，监测应变片VI 26安装联轴器4的F点处。其中监测应变片I 21与监测应变片II 22、监测应变片I 23与监测应变片II 24、监测应变片V 25、监测应变片VI 26呈对称布置。导电滑环8以Z轴正方向作为绝对式编码器7零位且以逆时针转向为正。所有监测应变片的导线通过导电滑环8导出。

如图3至图6所示，调节装置由静平台9、动平台10、支腿系统11构成。支腿系统11包括6个支腿，每一支腿由上虎克铰链16、连接块17、液压缸18、回转轴承19、下虎克铰链20、拉绳传感器37、滑轨38、连接板组成。具体安装方式为，上虎克铰链16下方依次连接连接块17、液压缸18、回转轴承19、下虎克铰链20；上虎克铰链16上法兰与调节装置动平台10螺栓连接，上虎克铰链16下法兰与连接板I 31螺栓连接，连接块17与连接板II 32螺栓连接，连接板I 31与连接板II 32螺栓连接使上虎克铰链16与连接块17连接；连接块17通过螺纹与液压缸18活塞杆进行连接；液压缸18底部法兰与连接板III 33螺栓连接，连接板IV 34与回转轴承19上部分螺栓连接，连接板III 33与连接板IV 34螺栓连接使液压缸18与回转轴承19上部分连接；回转轴承19下部分与连接板V 35连接，下虎克铰链20上法兰与连接板VI 36连接，连接板V 35与连接板VI 36螺栓连接使回转轴承19下部分与下虎克铰链20上法兰连接；下虎克铰链20下法兰与调节装置静平台9螺栓连接。拉绳传感器37安装在液压缸18一侧，用于测量液压缸18中活塞杆的位移，滑轨38安装在液压缸18另一侧，用于限制液压缸18活塞杆旋转自由度。

如图7所示，从图中虚线圆圈可以看出，传统六自由度平台静平台与动平台各支腿支撑点均呈正三角形布置；从图中实线圆圈可以看出，本方案改进后的对中调节装置静平台9与动平台10各支腿支撑点呈等腰三角形布置。改进后的动平台10各支腿上支点对风力发电机矩形底座适应性更好，静平台9所占用的风力发电机机舱空间更小。

如图8所示，对中调节装置液压系统由液压站14、电液比例阀15、电磁换向阀I 43、电磁换向阀II 44、电磁换向阀III 45、电磁换向阀IV 46、电磁换向阀V 47、电磁换向阀VI48、液压缸I 49、液压缸II 50、液压缸III 51、液压缸IV 52、液压缸V 53、液压缸VI 54组成。电液比例阀15分别与支腿系统11中各支腿上的液压缸相连，且在各支腿分油路上均设置普通换向阀。当电液比例阀15处于右位时，电磁换向阀I 43处于左位，液压缸I 49缩回，电磁换向阀I 43处于右位，液压缸I 49伸出；电磁换向阀II 44处于左位，液压缸II 50缩回，电磁换向阀II 44处于右位，液压缸II 50伸出；电磁换向阀III 45处于左位，液压缸III51缩回，电磁换向阀III 45处于右位，液压缸III 51伸出；电磁换向阀IV 46处于左位，液压缸IV 52缩回，电磁换向阀IV 46处于右位，液压缸IV 52伸出；电磁换向阀V 47处于左位，液压缸V 53缩回，电磁换向阀V 47处于右位，液压缸V 53伸出；电磁换向阀VI 48处于左位，液压缸VI 54缩回，电磁换向阀VI 48处于右位，液压缸VI 54伸出。

如图9所示，液压系统控制电路由监控计算机13、液压站14、电液比例阀15、电磁换向阀、模拟量输出模块60、模拟量采集模块61、拉绳传感器37、继电器模块65组成。监控计算机13通过模拟量输出模块60控制电液比例阀15，通过继电器模块65控制电磁换向阀，通过拉绳传感器37监测液压缸18活塞杆位移，以此达到对中调节装置各支腿闭环控制。

如图10所示，,监控计算机13与液压站14通过市电220V进行供电，电液比例阀15、电磁换向阀、模拟量输出模块60和模拟量采集模块61通过24V电源进行供电。监控计算机13通过USB转485串口与模拟量输出模块60、模拟量采集模块61、继电器模块65进行通讯，拉绳传感器37输出4-20mA电流至模拟量采集模块61，模拟量输出模块60输出-10V～10V电压对电液比例阀15进行控制，继电器模块65输出开关量对电磁换向阀进行控制。

如图11所示，其中(a)图表示监测应变片I 21、监测应变片II 22、监测应变片V25、监测应变片VI 26供电与电压采集电路，采用应变片半桥方式进行测量；其中(b)图表示监测应变片III 23、监测应变片IV 24供电与采集电路，采用应变片单臂方式进行测量。当应变片在外力作用下产生机械形变时，即风力发电机增速箱高速轴与风力发电机主轴发生偏移时，电阻值会发生相应变化。当应变片受力拉伸时，电阻值变大；当应变片受力压缩时，电阻值变小。监测应变片I 21、监测应变片II 22、监测应变片III 23、监测应变片IV 24、监测应变片V 25、监测应变片VI 26的初始电阻值分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6，且满足如下关系R

如图12所示，当风力发电机增速箱高速轴与风力发电机主轴对中状态良好时，伴随着主轴转动，联轴器传递扭矩，产生扭转应变，所有电阻均被拉伸，阻值增大，但是双臂半桥电路，由于左、右两个电阻变化相同，所以，A1、A2点采集到的电压不变；单臂电桥电路，由于阻值增大，所以，A3、A4点采集电压增大。上述电压变化都在阈值内波动。

如图13所示，当风力发电机增速箱高速轴与风力发电机主轴发生平行不对中时，监测应变片I 21被拉伸，R1电阻值增大，监测应变片II 22被压缩，R2电阻值减小，A/D采集模块A1端口电压增大；监测应变片V 25被压缩，R5电阻值减小，监测应变片VI 26被拉伸，R6电阻值增大，A/D采集模块A2端口电压减小。在发电机轴旋转的过程中，A1、A2采集到的电压的变化规律如图14所示。

如图14所示，A1、A2采集到的电压值呈正弦曲线变化。风力发电机运行过程中，A1采集到的电压值会在相位X1处出现峰值点U1点，根据绝对式编码器7可以获得此时联轴器4此时的相位X1；A1采集到的电压值会在相位X2处出现谷值点L1点，根据绝对式编码器7可以获得此时联轴器4此时的相位X2；A2采集到的电压值会在相位X1处出现谷值点L2点，根据绝对式编码器7可以获得此时联轴器4此时的相位X1；A2采集到的电压值会在相位X2处出现峰值点U2点，根据绝对式编码器7可以获得此时联轴器4此时的相位X2。由此可见，A1、A2点采集到的电压值数值基本相等、符号相反，则表示风力发电机组轴对中出现平行不对中，平行不对中偏移方向为X1。

如图15所示，当风力发电机增速箱高速轴与风力发电机主轴发生角度不对中时，监测应变片I 21被拉伸，R1电阻值增大，监测应变片II 22被压缩，R2电阻值减小，A/D采集模块A1端口电压增大；监测应变片V 25被拉伸，R5电阻值增大，监测应变片VI 26被压缩，R6电阻值减小，A/D采集模块A2端口电压增大。在发电机轴旋转的过程中，A1、A2采集到的电压的变化规律如图16所示。

如图16所示，A1、A2采集到的电压值呈正弦曲线变化。风力发电机运行过程中，A1采集到的电压值会在相位X3处出现峰值点U3点，根据绝对式编码器7可以获得此时联轴器4此时的相位X3；A1采集到的电压值会在相位X4处出现谷值点L3点，根据绝对式编码器7可以获得此时联轴器4此时的相位X4；A2采集到的电压值会在相位X3处出现峰值点U3点，根据绝对式编码器7可以获得此时联轴器4此时的相位X3；A2采集到的电压值会在相位X4处出现谷值点L3点，根据绝对式编码器7可以获得此时联轴器4此时的相位X4。由此可见，A1、A2点采集到的电压值数值基本相等、符号相同，则表示风力发电机组轴对中出现角度不对中，角度不对中偏移方向为X3。

当风力发电机增速箱高速轴与风力发电机主轴沿x轴发生偏移时，所有电阻同时被拉伸或同时被压缩，所有电阻阻值同时增大，或者同时减小，对于双臂半桥电路，由于左、右两个电阻变化相同，所以，A1、A2点采集到的电压不变；对于单臂电桥电路，电阻阻值增大或减小，引起A3、A4点采集电压增大或减小。最终导致，A1、A2点电压在阈值内波动，A3、A4点电压超出阈值范围。

本发明还包括一种风力发电机组轴对中监测调节方法，包括以下步骤：

S1：利用A/D采集模块采集A

S2：判断电压信号U

S3：若电压信号U

S4：根据偏移形式以及偏移方向利用风力发电机对中调节装置对发生偏移的风力发电机进行位姿调节；

S5：初步调节后，将此时增速箱输出轴应变片、发电机主轴应变片采集的电压数据与初始数据进行比对；

S6：若比对相差值在阈值内，则调节完成；若超出阈值则回到步骤S3继续调节。

如图17所示，上述监测调节方法中对中监测方法的具体流程为：

第一步，利用A/D采集模块采集A

第二步，判断电压信号U

第三步，若电压信号U

第四步，若电压信号U

第五步，电压信号UA1、UA2超过阈值且幅值基本相等、符号相同，则风力发电机组轴出现Y轴和Z轴方向角度不对中，风力发电机组轴绕Y轴

如图18所示，上述监测调节方法中对中调节方法流程为：

第一步，根据实时监测的对中监测装置判断风力发电机组轴对中状态。若风力发电机组轴对中状态良好则无需调节，若风力发电机组轴对中状态较差则进行下一步；

第二步，拉绳传感器采集各支腿活塞杆位移，计算得到各支腿当前长度l

式中，g

将上式两边平方得一个含六个未知数的非线性方程组：

fi(Q)＝(g

式中，Q＝(q

式中，

将上式在初值(q

令Δq

将上式看作是以Δq

如果|J|≠0，就可解出位姿参数变化量Δq

式中f

由此解出Δq

再令：Q

迭代公式J(Q

直至max(Δq

根据拉绳传感器，可知此时各支腿长度为l

第三步，根据监测方法判断风力发电机组轴偏移形式以及偏移方向；

若发生X轴正方向偏移，则位置

若沿Y轴

若沿Z轴

若发生绕Y轴

若发生绕Z轴

当动平台位置需要调节ΔX

第四步，计算对中调节平台调节运动至相应位姿各支腿液压缸活塞杆所需运动伸缩量；

首先将第三步动平台位置、姿态矩阵导入公式

式中，cβ代表cosβ，sα代表sinα以此类推；

式中，A

则各支腿此时长度为：

各支腿液压缸伸缩量为：

Δl

式中，l

第五步，控制对中调节装置第i条支腿活塞杆运动伸缩量Δl

第六步，调节完毕，返回至第一步继续监测风力发电机组轴对中状态。