摘要：當(dāng)前世界各國均大力發(fā)展可再生能源利用，隨著激光測振技術(shù)與視覺融合技術(shù)的日趨完善，節(jié)能型風(fēng)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，在風(fēng)電系統(tǒng)安全運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，目前普遍發(fā)生的葉片高周疲勞斷裂故障，其中由于振動(dòng)引起的葉片高周疲勞斷裂故障約占總事故率的25%。運(yùn)用激光多普勒外差式與視覺融合技術(shù)進(jìn)行風(fēng)電葉片日常運(yùn)行故障監(jiān)測、及時(shí)準(zhǔn)確診斷是保障風(fēng)電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要手段。也是降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑，本文著重介紹使用激光與視覺融合技術(shù)在風(fēng)電葉片故障監(jiān)測、診斷過程中的實(shí)踐和體會(huì)。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電、激光多普勒、多視覺、融合技術(shù) 引言：綠色能源的發(fā)展帶動(dòng)了風(fēng)電技術(shù)的高速成長，由此提高了風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的監(jiān)測要求，融合多項(xiàng)技術(shù)的監(jiān)測設(shè)備已成為維護(hù)風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的必備，本文以風(fēng)電機(jī)組、融合性監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展過程，以實(shí)例詳細(xì)介紹了融合技術(shù)的可行性、對(duì)應(yīng)用的發(fā)展方向作了探索與思考，為綠色能發(fā)展添磚加瓦。 1、 風(fēng)電技術(shù)簡介 （1）風(fēng)電技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，當(dāng)人類社會(huì)爆發(fā)了第一次石油能源危機(jī)，為解決能源危機(jī)帶來的社會(huì)動(dòng)蕩，各國相繼出臺(tái)了相關(guān)法律、政策，促進(jìn)發(fā)展利用可再生能源代替不可再生的礦物能源。由于風(fēng)力發(fā)電成本在可再生能源利用技術(shù)中接近于常規(guī)能源，成為了綠色能源中發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。1996年至2009年，世界風(fēng)電業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道，風(fēng)電裝機(jī)容量以平均28%增長速度增長。2010年至2020年，我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量持續(xù)增長，2019年為21005萬千瓦，未來發(fā)展更以大規(guī)模集中開發(fā)，建設(shè)陸上風(fēng)電中心為主。 （2）風(fēng)電主要結(jié)構(gòu)、工作原理及性能介紹 風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)的動(dòng)能通過風(fēng)輪轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)電機(jī)組是由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架組成，風(fēng)輪由輪轂、變槳、輪轂罩（導(dǎo)流罩）組成，機(jī)艙主要由主軸系統(tǒng)、增速箱、發(fā)電機(jī)、偏航、剎車、散熱排風(fēng)、機(jī)艙罩組成。見圖1(a)、(b)、圖2所示
圖1 風(fēng)電機(jī)組組成
圖2 輪轂與機(jī)艙組成 （3）風(fēng)輪、葉片結(jié)構(gòu)及葉片發(fā)展過程 風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)是由輪轂、葉片、控制系統(tǒng)組成，輪轂是風(fēng)輪的動(dòng)力樞紐，相關(guān)工作流程見圖3所示。
圖3 風(fēng)輪工作流程 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片發(fā)展進(jìn)程，見圖4所示。
圖4 葉片發(fā)展過程
風(fēng)輪功率 其中風(fēng)輪功率系數(shù) 值為0.2～0.5, D為風(fēng)輪直徑，ρ空氣密度，V 風(fēng)速 2、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片工作狀態(tài)分析 2.1 葉片工作狀態(tài)及故障分析 在長時(shí)間運(yùn)行中，葉片會(huì)出現(xiàn)表面裂紋、腐蝕、磨損、脫落，如沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)完成維修處理，嚴(yán)重的情況下會(huì)出現(xiàn)葉片開裂、斷裂的重大事故。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)是長期工作在野外大自然環(huán)境，強(qiáng)大的氣流體會(huì)誘發(fā)葉片出現(xiàn)顫振、發(fā)散等振動(dòng)現(xiàn)象，彈性體的葉片在氣動(dòng)力作用下形成的氣彈耦合的自激振動(dòng)，稱為顫振。當(dāng)葉片處在氣動(dòng)力、重力、離心力作用狀態(tài)下，風(fēng)電葉片會(huì)出現(xiàn)揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)這三種機(jī)械振動(dòng)形式。 （1）揮舞是指葉片在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向上的彎曲振動(dòng)。 （2）擺振是指葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)。 （3）扭轉(zhuǎn)是指葉片繞其變距軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。 實(shí)際當(dāng)葉片振動(dòng)處于一、二階低頻處時(shí)，已基本集中了主要的振動(dòng)能量，主要以揮舞、擺振為振動(dòng)形式存在。按慣例，葉片氣動(dòng)激振力的頻率達(dá)3倍轉(zhuǎn)速頻率時(shí)，諧波分量為最大。需密切監(jiān)測、控制葉片的固有頻率遠(yuǎn)離共振頻率，以防重大故障發(fā)生。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在生產(chǎn)、運(yùn)營過程中，葉片的維修成本約占整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)總價(jià)的10%-15%，葉片損壞失效分析，常用測量方式見表1、表2。 2.2 目前常用的葉片故障診斷方式為： （1）紅外熱成像技術(shù) （2）激光超聲技術(shù) （3）光學(xué)應(yīng)變測量、視覺技術(shù) （4）振動(dòng)測量、聲發(fā)射技術(shù) （5）光纖、攝像技術(shù) 風(fēng)電機(jī)組在日常工作中分別使用了壓電陶瓷、聲波、脈沖與振動(dòng)、光纖光柵、光纖視覺、應(yīng)力應(yīng)變等測試傳感器，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)葉片及關(guān)鍵部位實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過對(duì)實(shí)際測量的穩(wěn)定性、可靠性、安全性等方面來綜合評(píng)定，采用攝像、視覺、光學(xué)應(yīng)變、光纖測量技術(shù)要優(yōu)于激光超聲、聲發(fā)射、電阻應(yīng)變、振動(dòng)、紅外成像等技術(shù)手段。 2.3 葉片失效分析及測量 （1）葉片損壞失效分析，見表1所示。 表1 葉片損壞失效分析表
（2）葉片常用測量方式，見表2所示。 表2 葉片常用測量方式
3、 激光測振與多視覺融合在風(fēng)電系統(tǒng)中應(yīng)用 3.1、激光測振與視覺技術(shù) （1）目前廣泛使用的高精度測量振動(dòng)物體位移、速度、加速度的儀器設(shè)備是利用多普勒效應(yīng)、外差干涉法原理制成的激光多普勒測振儀，以納米級(jí)實(shí)現(xiàn)高線性度的振幅分辨率，高頻及距離變化不影響測試精度, 以單點(diǎn)、差分、掃描、顯微等型式分類，如圖5所示。
圖5 激光測振儀分類 （2）常用視覺檢測系統(tǒng)由相機(jī)、鏡頭、光源組成，視覺檢測系統(tǒng)是用工業(yè)相機(jī)（攝像機(jī)）代替人眼睛去完成識(shí)別、定位、測量等功能，視覺檢測技術(shù)是結(jié)合了光電探測、圖像處理、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品、零件三維尺寸及位置的快速檢測技術(shù)。具有非接觸、速度快、柔性好等突出優(yōu)點(diǎn)，有著重要的應(yīng)用前景，3D視覺技術(shù)測量原理，如圖6所示。
圖6 3D 視覺技術(shù)測量 3.2激光多普勒測振與視覺融合技術(shù)產(chǎn)品 （1）目前作為具有典型代表性的激光多普勒測振與視覺融合技術(shù)產(chǎn)品有顯微激光測振儀、激光多普勒測振與視覺融合機(jī)器人，顯微激光測振儀是可視化、多功能非接觸式振動(dòng)測量儀器，通過顯微光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體的精密振動(dòng)測量。通過顯微成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步觀察物體的振動(dòng)狀態(tài)，采集頻率、速度、加速度、位移等多維信息，精確測量MEMS等微小結(jié)構(gòu)元器件的振動(dòng)和形貌特征。激光光斑達(dá)微米量級(jí)，是實(shí)用性強(qiáng)的高效顯微測量分析工具，如圖7 (a)、(b)所示。
圖7 顯微激光測振類型 （2）激光多普勒測振系統(tǒng)與視覺融合機(jī)器人是將激光多普勒測振系統(tǒng)、各類視覺系統(tǒng)、圖像識(shí)別系統(tǒng)產(chǎn)品安裝在機(jī)器人機(jī)械手上或者巡檢機(jī)器人上，以完成實(shí)現(xiàn)對(duì)摩托車、汽車車身、大型機(jī)械工作臺(tái)、數(shù)控組合機(jī)床、太陽能電池板等不規(guī)則物體的多維、多方位振動(dòng)測量，完成電廠巡檢、危險(xiǎn)場地的設(shè)備運(yùn)行情況探測，見圖8(a)、(b)所示。
圖8 激光多普勒測振與視覺融合 3.3、應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)的激光多普勒測振產(chǎn)品及實(shí)例 （1）目前應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)測量，常用全場掃描式激光測振系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離激光測振系統(tǒng)，全場掃描式激光測振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速掃描物體表面，自行選擇定義測量區(qū)域和測量點(diǎn)，可視化測量分析物體結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)以二維、三維顯示及數(shù)據(jù)分析，能精確測量大型結(jié)構(gòu)、高溫、柔軟物體，見9(a)、(b)所示。遠(yuǎn)距離激光測振系統(tǒng)可以測量100m以外超遠(yuǎn)距離物體振動(dòng)，測量出目標(biāo)的微小形變，及振動(dòng)情況，強(qiáng)迫振動(dòng)頻率、固有頻率和振幅，通過頻譜分析沖擊系數(shù)、功率頻譜等參數(shù)。常用于大壩變形、高層建筑物、橋梁、地鐵、山體滑坡監(jiān)測等，見圖10(a)、(b)所示。
圖9 全場掃描式激光測振系統(tǒng)
圖10 全場掃描式激光測振系統(tǒng) （2）使用全場掃描式激光測振系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離激光測振系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)葉片進(jìn)行測定， 如下例；按有限元法6階振態(tài)對(duì)葉片測定，額定風(fēng)速14m/s，葉片長23.3m，轉(zhuǎn)速范圍（9～17）r/min，葉片模態(tài)、振態(tài)見表3， 葉片頻響函數(shù)、時(shí)域、頻域振動(dòng)波形如圖11、圖12所示。 表3 葉片模態(tài)、振態(tài)
圖11 葉片頻響函數(shù)
圖12 風(fēng)電機(jī)組葉片時(shí)域、頻域振動(dòng)波形
（3）選定遠(yuǎn)距離、單點(diǎn)、多點(diǎn)式激光測振系統(tǒng)分別可對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片、塔體、機(jī)艙內(nèi)的聯(lián)軸器的振動(dòng)、變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如圖13、圖14所示。 將全場掃描式激光測振系統(tǒng)與多視覺融合按裝于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙上方， 可檢測葉片的工作狀況，如圖15所示。
圖13 風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器測定
圖14 風(fēng)電機(jī)組葉片、塔體測定
圖15 風(fēng)電機(jī)組葉片測定 （3）激光多普勒測振系統(tǒng)與多視覺爬行機(jī)器人融合， 該項(xiàng)融合性技術(shù)應(yīng)用，將具有多項(xiàng)檢測性能的爬行機(jī)器人，應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可精確定位依附在風(fēng)電機(jī)組某一指定位置， 進(jìn)行缺限檢測，如圖16所示。
圖16 激光多普勒測振系統(tǒng)與多視覺爬行機(jī)器人融合 （4）激光多普勒測振系統(tǒng)與多視覺無人機(jī)融合，借助于機(jī)載平臺(tái)、遙感技術(shù)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行定位監(jiān)測。 4、結(jié)語 目前影響風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行工作時(shí)間的是齒輪箱、葉片、主傳動(dòng)鏈故障，也是造成風(fēng)電機(jī)組停機(jī)的主要原因，故障停機(jī)時(shí)間約占總停機(jī)時(shí)間的比例為95%。據(jù)國際風(fēng)電機(jī)組故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，葉片、齒輪箱損壞是目前國際上風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)兩大主要出險(xiǎn)原因，故障概率近乎各一半。而風(fēng)電機(jī)組大部件維修、更換成本一直比較高額昂，定時(shí)維修成本遠(yuǎn)低于事后故障維修成本。隨著深化發(fā)展智能化風(fēng)電機(jī)組的在線監(jiān)測，運(yùn)用激光多普勒外差式原理與多視覺融合技術(shù)的測試產(chǎn)品將向微型化、簡潔型、多功能化方向發(fā)展，更多結(jié)合溫控、聲控、紅外、光纖、激光雷達(dá)等技術(shù)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)主要部件、風(fēng)電機(jī)組的軸承、機(jī)艙、塔體、葉片、聯(lián)軸器、齒輪箱、偏航系統(tǒng)、風(fēng)向、風(fēng)速等進(jìn)行全天候、全面的實(shí)時(shí)檢測。全面提升傳感器的有效性，使測試監(jiān)控系統(tǒng)做到早期故障預(yù)警、準(zhǔn)確完成故障診斷工作。通過激光多普勒外差式測振與多視覺、激光雷達(dá)、聲控、光纖等技術(shù)融合，對(duì)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)中齒輪箱油液、葉片工作狀況進(jìn)行有效監(jiān)測。對(duì)風(fēng)電機(jī)組周邊大自然環(huán)境的風(fēng)向、風(fēng)速變化、颶風(fēng)來臨到達(dá)的時(shí)間等信息進(jìn)行預(yù)判，將有效信息向風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)及時(shí)反饋、以做到實(shí)時(shí)控制，保證風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行工作。 參考文獻(xiàn)： 1、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)組成及其應(yīng)用 https://wenku.baidu.com/view/04b3f004b04e852458fb770bf78a6529657d3563.html?fr=search-1_income4 2、 風(fēng)力葉片三維參數(shù)建模及振動(dòng)分析 https://www.docin.com/p-1321842063.html 3、激光測振儀應(yīng)用領(lǐng)域 polytec動(dòng)態(tài)發(fā)布日期：2021-01-27 15:56:38 作著：嚴(yán)建偉，浙江大學(xué)在職研究生結(jié)業(yè) 具有中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)頒發(fā)機(jī)械工程師證書， 郵電工業(yè)總公司頒發(fā)工程師證， 擁有多項(xiàng)專利及論文發(fā)布，是中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，中國光學(xué)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)會(huì)員， 浙江省標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)會(huì)員 目前就職于舜宇集團(tuán)研發(fā)部
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