风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法及装置

摘要

本发明公开了一种风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法及装置，方法实施步骤为：分别检测双馈发电机驱动端、非驱动端的加速度信号；分别提取出加速度极值点信号得到加速度极值点的时间序列；分别计算弹性支撑力得到弹性支撑力的时间序列；分别进行DFFT变换，得到轴承故障特征频率信号，根据轴承故障特征频率信号分别进行双馈发电机驱动端、非驱动端的故障判断并将判断结果输出；装置包括第一、第二加速度传感器、加速度极值点信号提取模块、弹性支撑力计算模块、故障特征频率计算模块和故障判断模块。本发明具有故障检测精确、准确度高、检测方便快捷、使用方便、轴承管理维护成本低的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法及装置。

背景技术

由于风力双馈发电机组通常处于复杂的运行工况中，且不利于经常性的维护，导致诸如双馈发电机轴承等部件故障失效情况发生。对于风力双馈发电机组前后两端安装了相同型号滚动轴承的情况而言，由于其外圈、内圈、滚动体、保持架的故障特征频率一致，风电用双馈发电机前后两端安装相同型号的滚动轴承的故障特征频率一样，导致采集器采集到轴承故障特征信号时，从而导致无法确定传感器测得的轴承故障信息来自于哪个轴承，也无法判别每个轴承的故障程度。因此，为了能在轴承失效的情况下及时更换故障轴承、保证风电机组正常可靠运行、延长风电机组及其部件的使用寿命，同时又不能对无故障（或者故障轻微）的轴承产生误判，将可以正常运行的新轴承更换下来，导致无谓的经济损失，防止由于过诊断或者欠诊断导致风机的可靠性降低或者产生不必要的更换费用，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种故障检测精确、准确度高、检测方便快捷、使用方便、轴承管理维护成本低的风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法，其实施步骤如下：

1）在双馈发电机运行时检测双馈发电机驱动端的加速度信号、非驱动端的加速度信号；

2）分别提取出所述加速度信号的加速度极值点信号，得到双馈发电机驱动端、非驱动端加速度极值点的时间序列；

3）分别根据所述加速度极值点的时间序列计算双馈发电机驱动端、非驱动端底角弹性支撑的的弹性支撑力，得到双馈发电机驱动端、非驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力时间序列；

4）分别将所述弹性支撑力的时间序列进行DFFT变换，得到双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的轴承故障特征频率信号，根据双馈发电机驱动端、非驱动端的轴承故障特征频率信号分别进行故障判断并将判断结果输出。

进一步，所述步骤3）中分别根据所述加速度极值点的时间序列分别计算底角弹性支撑的弹性支撑力具体是指根据式（1）计算双馈发电机驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力、根据式（2）计算双馈发电机非驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力；

F_1N=（a₁²·（L+ L₂）·а_1N/ b₁+ a₂²·L₂·а_2N/ b₂）/(L²+ L·L₁+ L·L₂)     （1）

F_2N=-（a₁²·L₁·а_1N/ b₁+ a₂²·（L+ L₁）·а_2N/ b₂）/(L²+ L·L₁+ L·L₂)    （2）

式（1）和式（2）中，F_1N表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力，F_2N表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力，N为时间序列；a₁的计算表达式为a₁=J₂/L·（1+（k₁·J₁）/（k₂·J₂）），a₂的计算表达式为a₂=J₁/L·（1+（k₂·J₂）/（k₁·J₁）），b₁和k₁均表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑的刚度，b₂和k₂均表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑的刚度，а_1N表示双馈发电机驱动端加速度极值点的时间序列，а_2N表示双馈发电机非驱动端加速度极值点的时间序列，J₁表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑的转动惯量，J₂表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑的转动惯量，L表示发电机驱动端底角弹性支撑与非驱动端底角弹性支撑之间的中心距，L₁表示发电机驱动端底角弹性支撑的中心线与发电机驱动端端盖最外端之间的距离，L₂表示发电机非驱动端底角弹性支撑的中心线与发电机非驱动端端盖最外端之间的距离。

进一步，所述步骤4）中根据双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的轴承故障特征频率信号分别进行故障判断的详细步骤如下：

4.1）根据式（3）计算双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的外圈故障特征频率；

f₀=Z/2·(1-d/D·cosа)·f                                                                         （3）

式（3）中，f₀表示滚动轴承的外圈故障特征频率，Z表示滚动轴承的滚动体数量，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角，f表示双馈发电机的转频；

4.2）根据式（4）计算双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的内圈故障特征频率；

f_i=Z/2·(1+d/D·cosа)·f                                                                        （4）

式（4）中，f_i表示滚动轴承的内圈故障特征频率，Z表示滚动轴承的滚动体数量，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角，f表示双馈发电机的转频；

4.3）根据式（5）计算双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的滚动体故障特征频率；

f_b=1/2·R_pmi/60·D/d·(1-(d/D·cosа)²)                                                 （5）

式（5）中，f_b表示滚动轴承的滚动体故障特征频率，R_pmi表示滚动轴承的内圈频率，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角；

4.4）根据式（6）计算双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的保持架故障特征频率；

f_c=1/2·R_pmi/60·(1-d/D·cosа)±R_pm0/60·(1+d/D·cosа)                 （6）

式（6）中，f_c表示滚动轴承的保持架故障特征频率，R_pmi表示滚动轴承的内圈频率，R_pm0表示滚动轴承的外圈频率，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角；

4.5）将所述双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的轴承故障特征频率信号分别与所述滚动轴承的外圈故障特征频率、内圈故障特征频率、滚动体故障特征频率、保持架故障特征频率进行比较，从而根据进行比较的两个频率之间的匹配程度判断双馈发电机驱动端、非驱动端的滚动轴承的故障类型以及故障程度并输出判断结果。

本发明还提供一种风电用双馈发电机滚动轴承故障判别装置，包括：

第一加速度传感器，用于在双馈发电机运行时检测双馈发电机驱动端的加速度信号；

第二加速度传感器，用于在双馈发电机运行时检测双馈发电机非驱动端的加速度信号；

加速度极值点信号提取模块，用于分别提取出所述加速度信号的加速度极值点信号，得到双馈发电机驱动端、非驱动端加速度极值点的时间序列；

弹性支撑力计算模块，用于分别根据所述加速度极值点的时间序列分别计算双馈发电机驱动端、非驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力，得到双馈发电机驱动端、非驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力时间序列；

故障特征频率计算模块，用于分别将所述弹性支撑力的时间序列进行DFFT变换，得到双馈发电机驱动端、非驱动端的轴承故障特征频率信号；

故障判断模块，用于根据双馈发电机驱动端、非驱动端的轴承故障特征频率信号分别进行双馈发电机驱动端、非驱动端的故障判断并将判断结果输出。

进一步，所述弹性支撑力计算模块包括：

驱动端弹性支撑力计算模块，用于根据式（1）计算双馈发电机驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力；

非驱动端弹性支撑力计算模块,用于根据式（2）计算双馈发电机非驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力；

F_1N=（a₁²·（L+ L₂）·а_1N/ b₁+ a₂²·L₂·а_2N/ b₂）/(L²+ L·L₁+ L·L₂)     （1）

F_2N=-（a₁²·L₁·а_1N/ b₁+ a₂²·（L+ L₁）·а_2N/ b₂）/(L²+ L·L₁+ L·L₂)    （2）

式（1）和式（2）中，F_1N表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力，F_2N表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑的弹性支撑力，N为时间序列；a₁的计算表达式为a₁=J₂/L·（1+（k₁·J₁）/（k₂·J₂）），a₂的计算表达式为a₂=J₁/L·（1+（k₂·J₂）/（k₁·J₁）），b₁和k₁均表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑的刚度，b₂和k₂均表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑的刚度，а_1N表示双馈发电机驱动端加速度极值点的时间序列，а_2N表示双馈发电机非驱动端加速度极值点的时间序列，J₁表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑的转动惯量，J₂表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑的转动惯量，L表示发电机驱动端底角弹性支撑与非驱动端底角弹性支撑之间的中心距，L₁表示发电机驱动端底角弹性支撑的中心线与发电机驱动端端盖最外端之间的距离，L₂表示发电机非驱动端底角弹性支撑的中心线与发电机非驱动端端盖最外端之间的距离。

进一步，所述故障判断模块包括：

外圈故障特征频率计算模块，用于根据式（3）计算双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的外圈故障特征频率；

f₀=Z/2·(1-d/D·cosа)·f                                                                         （3）

式（3）中，f₀表示滚动轴承的外圈故障特征频率，Z表示滚动轴承的滚动体数量，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角，f表示双馈发电机的转频；

内圈故障特征频率计算模块，用于根据式（4）计算双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的内圈故障特征频率；

f_i=Z/2·(1+d/D·cosа)·f                                                                        （4）

式（4）中，f_i表示滚动轴承的内圈故障特征频率，Z表示滚动轴承的滚动体数量，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角，f表示双馈发电机的转频；

滚动体故障特征频率计算模块，用于根据式（5）计算双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的滚动体故障特征频率；

f_b=1/2·R_pmi/60·D/d·(1-(d/D·cosа)²)                                                 （5）

式（5）中，f_b表示滚动轴承的滚动体故障特征频率，R_pmi表示滚动轴承的内圈频率，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角；

保持架故障特征频率计算模块，用于根据式（6）计算双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的保持架故障特征频率；

f_c=1/2·R_pmi/60·(1-d/D·cosа)±R_pm0/60·(1+d/D·cosа)              （6）

式（6）中，f_c表示滚动轴承保持架故障特征频率，R_pmi表示滚动轴承的内圈频率，R_pm0表示滚动轴承的外圈频率，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角；

故障特征频率比较判定模块，用于分别将所述双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承的轴承故障特征频率信号分别与所述滚动轴承的外圈故障特征频率、内圈故障特征频率、滚动体故障特征频率、保持架故障特征频率进行比较，从而根据进行比较的两个频率之间的匹配程度判断滚动轴承的故障类型以及故障程度并输出判断结果。

本发明风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法具有下述优点：本发明针对风力双馈发电机组通常处于复杂的运行工况中，且不利于经常性的维护，导致诸如双馈发电机轴承等部件故障失效情况发生的问题，本发明通过从双馈发电机驱动端与非驱动端振动传感器获取的加速度信号，将每个极值点的加速度值等效于一个双馈发电机两端对弹性支撑的高频方波力产生的初始加速度，根据力学方程得到相应的双馈发电机两端对弹性支撑作用力的时间序列信号，根据风机用双馈发电机的安装方式及相应的运动方程，得到时间序列信号的双馈发电机两端对弹性支撑的作用力，通过DFFT变换，分别提取相同型号滚动轴承故障特征频率信号下的作用力，从而间接判别双馈发电机轴承故障，能够针对双馈发电机组的故障特征频率一致的驱动端和非驱动端滚动轴承的外圈、内圈、滚动体、保持架进行故障分析和诊断，从而能够确定传感器测得的轴承故障信息来自于哪个轴承，也能够判别每个轴承的故障程度和类型，能够确保在轴承失效的情况下及时更换故障轴承、保证风电机组正常可靠运行、延长风电机组及其部件的使用寿命，同时又不会对无故障（或者故障轻微）的轴承产生误判，不会由于过诊断或者欠诊断导致风机的可靠性降低或者产生不必要的更换费用，具有故障检测精确、准确度高、检测方便快捷、使用方便、轴承管理维护成本低的优点。

本发明风电用双馈发电机滚动轴承故障判别装置为本发明风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法相对应的装置，因此也具有与本发明风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法相同的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中的传感器安装结构示意图。

图3为本发明实施例在轴承故障时的受力分析示意图。

图4为本发明实施例中双馈发电机轴承故障产生冲击力示意图。

图5为本发明实施例装置的框架结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法的实施步骤如下：

1）在双馈发电机运行时检测双馈发电机驱动端的加速度信号、非驱动端的加速度信号。

本实施例具体是通过分别安装在双馈发电机驱动端、非驱动端的加速度传感器来实现在双馈发电机运行时分别检测双馈发电机驱动端、非驱动端的加速度信号。如图2所示，目前常见的双馈发电机的机座1支承固定在底座7上，机座1中插设有转轴6，转轴6的左侧（非驱动端）和右侧（驱动端）分别通过一个滚轴轴承5的轴承外圈与机座1的端盖4连接配合，转轴6上设有转子铁芯3，机座1内设有定子铁芯2，定子铁芯2套设在转子铁芯3的外侧。本实施例中将用于检测双馈发电机驱动端的加速度信号的第一加速度传感器9安装在双馈发电机驱动端的端盖4上，将用于检测双馈发电机非驱动端的加速度信号的第二加速度传感器10安装在双馈发电机非驱动端的端盖4上，底座7在双馈发电机驱动端、非驱动端的底部均设有底角弹性支撑8。在安装加速度传感器时，首先需要将端盖4表面的油漆打磨掉，且将端盖4的表面打磨成平面，然后在第一加速度传感器9、第二加速度传感器10的表面涂上金属粘接剂，然后分别用力将第一加速度传感器9、第二加速度传感器10的表面与端盖4紧贴在一起。

参见如图3所示的对双馈发电机轴承故障时底角弹性支撑8的受力分析，F₁为双馈发电机驱动端滚轴轴承5在故障时产生的振动冲击力、F₂为双馈发电机非驱动端滚轴轴承5在故障时产生的振动冲击力、F_k1为双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑作用力、F_k2为双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑作用力、G为双馈发电机的重力，K₁为双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的底角弹性支撑刚度，K₂为双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的底角弹性支撑刚度。假设在双馈发电机振动的动态过程中，双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的位移量为y₁、初始位移量为y₁₀，双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的位移量为y₂、初始位移量为y₂₀（位移量都以向上的方向为正位移量），双馈发电机以驱动端底角弹性支撑8为原点的旋转角度为θ₁，双馈发电机以非驱动端底角弹性支撑8为原点的旋转角度为θ₂（旋转都以顺时针方向为正），双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的转动惯量为J₁，双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的转动惯量为J₂；另外，双馈发电机在振动时，由于有底角弹性支撑8的作用，其垂直位移量不会太大，为此近似有式（1.1）和式（1.2）。

θ₁=（y₂-y₁）/L                                                                              （1.1）

θ₂=（y₂-y₁）/L                                                                                           （1.2）

式（1.1）和式（1.2）中，θ₁表示双馈发电机以驱动端底角弹性支撑8为原点的旋转角度，θ₂表示双馈发电机以非驱动端底角弹性支撑8为原点的旋转角度，y₁表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的位移量，y₂表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的位移量，L表示发电机驱动端底角弹性支撑8与非驱动端底角弹性支撑8之间的中心距。

因此双馈发电机弹性支撑的反作用力如式（1.3）和式（1.4）所示。

F_k1=-k₁(y₁+y₁₀)                                                                           （1.3）

F_k2=-k₂(y₂+y₂₀)                                                                                      （1.4）

式（1.3）和式（1.4）中，K₁为双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的刚度，K₂为双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的刚度，F_k1为双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑作用力，F_k2为双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑作用力，y₁表示双馈发电机驱动端弹性支撑8的位移量，y₂表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的位移量，y₁₀表示双馈发电机驱动端弹性支撑8的初始位移量，y₂₀表示双馈发电机非驱动端弹性支撑8的初始位移量。

根据运动方程可得式（1.5）和式（1.6）。

J₁·dθ₁/dt=J₁/L·（dy₂/dt–dy₁/dt）=F_k2·L+F₁·L₁-1/2·G·L-F₂·（L₂+L）（1.5）

J₂·dθ₂/dt=J₂/L·（dy₂/dt–dy₁/dt）=F₁·（L+L₁）+1/2·G·L-F_k1·L-F₂·L₂           （1.6）

将式（1.5）和式（1.6）相减则有式（1.7）。

-k₂(y₂+y₂₀)·L/ J₁+（L₁/ J₁-（L+L₁）/ J₂）F₁-（1/2·J₁+1/2·J₂）G·L- k₁(y₁+y₁₀)·L/ J₂+（L₂/ J₂-（L+L₂）/ J₁）F₂=0                                                                                     （1.7）

式（1.5）、式（1.6）和式（1.7）中，J₁表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的转动惯量，J₂表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的转动惯量，θ₁表示双馈发电机以驱动端底角弹性支撑8为原点的旋转角度，θ₂表示双馈发电机以非驱动端底角弹性支撑8为原点的旋转角度，y₁表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的位移量，y₂表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的位移量，K₁表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的刚度，K₂表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的刚度，F_k1表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑作用力，F_k2表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑作用力，L表示发电机驱动端底角弹性支撑8与非驱动端底角弹性支撑8之间的中心距，L₁表示发电机驱动端底角弹性支撑8的中心线与发电机驱动端端盖4最外端之间的距离，L₂表示发电机非驱动端底角弹性支撑8的中心线与发电机非驱动端端盖4最外端之间的距离，G表示双馈发电机的重力，F₁表示双馈发电机驱动端滚轴轴承5在故障时产生的振动冲击力、F₂表示双馈发电机非驱动端滚轴轴承5在故障时产生的振动冲击力，参见如图4所示的双馈发电机轴承故障产生冲击力示意图，本实施例中在滚动轴承6故障时，振动冲击力F₁、F₂均为高频方波力。

令式（1.7）中：

A=（L₁/ J₁-（L+L₁）/ J₂）,

B=（L₂/ J₂-（L+L₂）/ J₁）,

C=- k₂·y₂₀·L/ J₁- k₁·y₁₀·L/ J₂-（1/2·J₁+1/2·J₂）G·L。

则式（1.7）可表示为式（1.8）。

-k₂·y₂·L/ J₁- k₁·y₁·L/ J₂+A·F₁+B·F₂+C=0                                       （1.8）

通常情况下，C=0，则式（1.8）可转换为式（1.9）～式（1.11）。

-k₂·y₂·L/ J₁- k₁·y₁·L/ J₂+A·F₁+B·F₂=0                                            （1.9）

y₁=-（k₂·J₂）/（k₁·J₁）·y₂-（A·F₁+B·F₂）·J₂/ k₁·L                                   （1.10）

y₂=-（k₁·J₁）/（k₂·J₂）·y₁-（A·F₁+B·F₂）·J₁/ k₂·L                                   （1.11）

将式（1.10）代入式（1.5）则有式（1.12）。

J₁/L·（1+（k₂·J₂）/（k₁·J₁））·y₂^′= -k₂(y₂+y₂₀) ·L+ F₁·L₁-1/2·G·L- F₂·（L₂+L）= k₂y₂+ F₁·L₁- F₂·（L₂+L）                                                             （1.12）

式（1.12）可转换为式（1.13）。

J₁/L·（1+（k₂·J₂）/（k₁·J₁））·y₂^′=- k₂y₂+ F₁·L₁- F₂·（L₂+L）         （1.13）

式（1.12）和式（1.13）中，y₂^′表示发电机非驱动端底角弹性支撑8的形变速度量。

令式（1.13）中：

a₂= J₁/L·（1+（k₂·J₂）/（k₁·J₁））

b₂= k₂

c₂= F₁·L₁- F₂·（L₂+L）。

则式（1.13）可以表示为式（1.14）和式（1.15）。

a₂ y₂^′+ b₂ y₂= c₂                                                                                              （1.14）

y₂=( c₂/ b₂) ·e^-(b2/a2)t+k₂                                                                                             （1.15）

将式（1.11）代入式（1.6）则可以得到式（1.16）。

-J₂/L·（1+（k₁·J₁）/（k₂·J₂））·y₁^′=k₁(y₁+y₁₀)·L+ F₁·（L+L₁）+1/2·G·L - F₂·L₂= -k₁y₁+ F₁·（L+L₁）- F₂·L₂                                                                                                     （1.16）

式（1.16）可转换为式（1.17）。

J₂/L·（1+（k₁·J₁）/（k₂·J₂））·y₁^′=-k₁y₁-F₁·（L+L₁）+F₂·L₂              （1.17）

（1.16）和式（1.17）中，y₁^′表示发电机驱动端底角弹性支撑8的形变速度量。

令式（1.17）中：

a₁= J₂/L·（1+（k₁·J₁）/（k₂·J₂））

b₁= k₁

c₁= -F₁·（L+L₁）+F₂·L₂。

则式（1.17）可以表示为式（1.18）和式（1.19）。

a₁ y₁^′+ b₁ y₁= c₁                                                                                                            （1.18）

y₁=( c₁/ b₁) ·e^-(b1/a1)t+k₁                                                                                                          （1.19）

为此，双馈发电机驱动端和非驱动端振动加速度可以表示为式（1.20）和式（1.21）。

а₁= y₁^〞= b₁/ a₁²·e^-(b1/a1)t·c₁                                                                          （1.20）

а₂= y₂^〞= b₂/ a₂²·e^-(b2/a2)t·c₂                                                                                     （1.21）

式（1.20）和式（1.21）中，y₁^〞表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的形变加速度量，y₂^〞表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的形变加速度量。

2）分别提取出加速度信号的加速度极值点信号，得到双馈发电机驱动端、非驱动端加速度极值点的时间序列а_1N、а_2N。

从双馈发电机驱动端与非驱动端振动传感器测试的加速度信号中提取出各个极值点信号，令其为а_1N、а_2N（其中N为时间序列），对于每个极值点的加速度值，可以近似认为是该时刻一个高频方波力F_1N、F_2N在初始时刻产生的，则有双馈发电机驱动端的加速度极值点的时间序列式（1.22）所示，双馈发电机非驱动端加速度极值点的时间序列如式（1.23）所示。

а_1N= y_1N^〞= b₁/ a₁²·e^-(b1/a1)0·c₁= b₁/ a₁²·（-F_1N·（L+L₁）+F_2N·L₂）   （1.22）；

а_2N= y_2N^〞= b₂/ a₂²·e^-(b2/a2)0·c₂= b₂/ a₂²·c₂= F_1N·L₁- F_2N·（L₂+L）                  （1.23）；

式（1.22）和式（1.23）中，y_1N^〞表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的形变加速度时间序列，y_2N^〞表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的形变加速度时间序列。

3）分别根据加速度极值点的时间序列а_1N、а_2N计算双馈发电机驱动端、非驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑力，得到双馈发电机驱动端、非驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑力时间序列F_1N、F_2N。

本实施例中，步骤3）中分别根据加速度极值点的时间序列分别计算弹性支撑力具体是指根据式（1）计算双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑力、根据式（2）计算双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑力；

F_1N=（a₁²·（L+ L₂）·а_1N/ b₁+ a₂²·L₂·а_2N/ b₂）/(L²+ L·L₁+ L·L₂)     （1）

F_2N=-（a₁²·L₁·а_1N/ b₁+ a₂²·（L+ L₁）·а_2N/ b₂）/(L²+ L·L₁+ L·L₂)    （2）

式（1）和式（2）中，F_1N表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑力，F_2N表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑力，N为时间序列；a₁的计算表达式为a₁= J₂/L·（1+（k₁·J₁）/（k₂·J₂）），a₂的计算表达式为a₂= J₁/L·（1+（k₂·J₂）/（k₁·J₁）），b₁和k₁均表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的刚度，b₂和k₂均表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的刚度，а_1N表示双馈发电机驱动端加速度极值点的时间序列，а_2N表示双馈发电机非驱动端加速度极值点的时间序列，J₁表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的转动惯量，J₂表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的转动惯量，L表示发电机驱动端底角弹性支撑8与非驱动端底角弹性支撑8的距离，L₁表示发电机驱动端底角弹性支撑8与发电机驱动端端盖4之间的距离，L₂表示发电机非驱动端底角弹性支撑8与发电机非驱动端端盖4之间的距离。F_1N、F_2N是以双馈发电机驱动端及非驱动端加速度极值点的时间序列а_1N、а_2N变量的线性函数，因此，一旦获取а_1N、а_2N的值，即可求得F_1N、F_1N的值。

4）分别将弹性支撑力的时间序列F_1N、F_2N进行DFFT变换（即离散快速傅立叶变换），得到双馈发电机驱动端、非驱动端滚轴轴承5的轴承故障特征频率信号F_1f、F_2f，根据双馈发电机驱动端、非驱动端滚轴轴承5的轴承故障特征频率信号分别进行双馈发电机驱动端、非驱动端的故障判断并将判断结果输出。

本实施例中，步骤4）中根据双馈发电机驱动端、非驱动端的轴承故障特征频率信号分别进行双馈发电机驱动端、非驱动端的故障判断的详细步骤如下：

4.1）根据式（3）计算双馈发电机滚轴轴承5的滚动轴承外圈故障特征频率；

f₀=Z/2·(1-d/D·cosа) ·f                                                                （3）

式（3）中，f₀表示滚动轴承外圈故障特征频率，Z表示滚动轴承的滚动体数量，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角，f表示双馈发电机的转频；

4.2）根据式（4）计算双馈发电机滚轴轴承5的滚动轴承内圈故障特征频率；

f_i=Z/2·(1+d/D·cosа) ·f                                                               （4）

式（4）中，f_i表示滚动轴承内圈故障特征频率，Z表示滚动轴承的滚动体数量，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角，f表示双馈发电机的转频；

4.3）根据式（5）计算双馈发电机滚轴轴承5的滚动轴承滚动体故障特征频率；

f_b=1/2·R_pmi/60·D/d·(1-( d/D·cosа)²)                                         （5）

式（5）中，f_b表示滚动轴承滚动体故障特征频率，R_pmi表示滚动轴承的内圈频率，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角；

4.4）根据式（6）计算双馈发电机滚轴轴承5的滚动轴承保持架故障特征频率；

f_c=1/2·R_pmi/60·(1-d/D·cosа)±R_pm0/60·(1+d/D·cosа)            （6）

式（6）中，f_c表示滚动轴承保持架故障特征频率，R_pmi表示滚动轴承的内圈频率，R_pm0表示滚动轴承的外圈频率，d表示滚动轴承的滚动体直径，D表示滚动轴承的滚动体节径，а表示滚动轴承的接触角；

4.5）将双馈发电机驱动端、非驱动端滚轴轴承5的轴承故障特征频率信号F_1f、F_2f分别与双馈发电机滚轴轴承5的滚动轴承外圈故障特征频率、滚动轴承内圈故障特征频率、滚动轴承滚动体故障特征频率、滚动轴承保持架故障特征频率进行比较，从而根据进行比较的两个频率之间的匹配程度判断双馈发电机驱动端、非驱动端的滚动轴承的故障类型以及故障程度并输出判断结果。

本实施例中，如果滚轴轴承5的轴承故障特征频率信号（F_1f、F_2f）与进行比较的另一个频率（双馈发电机的滚动轴承外圈故障特征频率、滚动轴承内圈故障特征频率、滚动轴承滚动体故障特征频率、滚动轴承保持架故障特征频率之一）的差值小于指定阈值，则判定为轴承故障特征频率信号对应的驱动端或者非驱动端发生与进行比较的另一个频率对应的故障，并且该差值越小，则发生故障的程度越高。以双馈发电机驱动端为例，如果双馈发电机驱动端滚轴轴承5的轴承故障特征频率信号F_1f与滚动轴承内圈故障特征频率的差值小于指定的阈值，则判定F_1f对应的双馈发电机驱动端发生滚动轴承内圈故障，且该差值越小，则发生内圈故障的程度越高。需要说明的是，除了上述采用差值与指定阈值的判定方法以外，还可以采用其它多种判断的基准来实现比较的两个频率之间的匹配程度，例如采用两个比较对象之间的比例、两个比较对象之间差值的比例等等，其同样也可以实现根据进行比较的两个频率之间的匹配程度判断双馈发电机驱动端、非驱动端的滚动轴承的故障类型以及故障程度，故在此不再赘述。

综上所述，本实施例风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法针对风力双馈发电机组通常处于复杂的运行工况中，且不利于经常性的维护，导致诸如双馈发电机轴承等部件故障失效情况发生的问题，本发明通过从双馈发电机驱动端与非驱动端振动传感器获取的加速度信号，将每个极值点的加速度值等效于一个双馈发电机两端对底角弹性支撑8的高频方波力产生的初始加速度，根据力学方程得到相应的双馈发电机两端对底角弹性支撑8的弹性支撑作用力的时间序列信号，根据风机用双馈发电机的安装方式及相应的运动方程，得到时间序列信号的双馈发电机两端对底角弹性支撑8的弹性支撑力，通过DFFT变换，分别提取相同型号滚动轴承故障特征频率信号下的作用力，从而间接判别双馈发电机轴承故障，能够针对双馈发电机组的故障特征频率一致的驱动端和非驱动端滚动轴承的外圈、内圈、滚动体、保持架进行故障分析和诊断，从而能够确定传感器测得的轴承故障信息来自于哪个轴承，也能够判别每个轴承的故障程度和类型，能够确保在轴承失效的情况下及时更换故障轴承、保证风电机组正常可靠运行、延长风电机组及其部件的使用寿命，同时又不会对无故障（或者故障轻微）的轴承产生误判，不会由于过诊断或者欠诊断导致风机的可靠性降低或者产生不必要的更换费用，具有故障检测精确、准确度高、检测方便快捷、使用方便、轴承管理维护成本低的优点。

如图5所示，与本实施例的风电用双馈发电机滚动轴承故障判别方法对应，本实施例还提供一种风电用双馈发电机滚动轴承故障判别装置，包括：

第一加速度传感器，用于在双馈发电机运行时检测双馈发电机驱动端的加速度信号；

第二加速度传感器，用于在双馈发电机运行时检测双馈发电机非驱动端的加速度信号；

加速度极值点信号提取模块，用于分别提取出加速度信号的加速度极值点信号，得到双馈发电机驱动端、非驱动端加速度极值点的时间序列；

弹性支撑力计算模块，用于分别根据加速度极值点的时间序列分别计算弹性支撑力，得到双馈发电机驱动端、非驱动端弹性支撑力的时间序列；

故障特征频率计算模块，用于分别将弹性支撑力的时间序列进行DFFT变换，得到双馈发电机驱动端、非驱动端的轴承故障特征频率信号；

故障判断模块，用于根据双馈发电机驱动端、非驱动端的轴承故障特征频率信号分别进行双馈发电机驱动端、非驱动端的故障判断并将判断结果输出。

本实施例中，弹性支撑力计算模块包括：

驱动端弹性支撑力计算模块，用于根据式（1）计算双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑力；

非驱动端弹性支撑力计算模块用于根据式（2）计算双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑力；

F_1N=（a₁²·（L+ L₂）·а_1N/ b₁+ a₂²·L₂·а_2N/ b₂）/(L²+ L·L₁+ L·L₂)        （1）

F_2N=-（a₁²·L₁·а_1N/ b₁+ a₂²·（L+ L₁）·а_2N/ b₂）/(L²+ L·L₁+ L·L₂)       （2）

式（1）和式（2）中，F_1N表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑力，F_2N表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的弹性支撑力，N为时间序列；a₁的计算表达式为a₁= J₂/L·（1+（k₁·J₁）/（k₂·J₂）），a₂的计算表达式为a₂= J₁/L·（1+（k₂·J₂）/（k₁·J₁）），b₁和k₁均表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的刚度，b₂和k₂均表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的刚度，а_1N表示双馈发电机驱动端加速度极值点的时间序列，а_2N表示双馈发电机非驱动端加速度极值点的时间序列，J₁表示双馈发电机驱动端底角弹性支撑8的转动惯量，J₂表示双馈发电机非驱动端底角弹性支撑8的转动惯量，L表示发电机驱动端底角弹性支撑8与非驱动端底角弹性支撑8的距离，L₁表示发电机驱动端底角弹性支撑8与发电机驱动端端盖4之间的距离，L₂表示发电机非驱动端底角弹性支撑8与发电机非驱动端端盖4之间的距离。

本实施例中，故障判断模块包括：

外圈故障特征频率计算模块，用于根据式（3）计算双馈发电机的滚动轴承5的外圈故障特征频率；

f₀=Z/2·(1-d/D·cosа) ·f                                                                       （3）

式（3）中，f₀表示滚动轴承5的外圈故障特征频率，Z表示滚动轴承5的滚动体数量，d表示滚动轴承5的滚动体直径，D表示滚动轴承5的滚动体节径，а表示滚动轴承5的接触角，f表示双馈发电机的转频；

内圈故障特征频率计算模块，用于根据式（4）计算双馈发电机的滚动轴承5的内圈故障特征频率；

f_i=Z/2·(1+d/D·cosа) ·f                                                                      （4）

式（4）中，f_i表示滚动轴承5的内圈故障特征频率，Z表示滚动轴承5的滚动体数量，d表示滚动轴承5的滚动体直径，D表示滚动轴承5的滚动体节径，а表示滚动轴承5的接触角，f表示双馈发电机的转频；

滚动体故障特征频率计算模块，用于根据式（5）计算双馈发电机的滚动轴承5的滚动体故障特征频率；

f_b=1/2·R_pmi/60·D/d·(1-( d/D·cosа)²)                                                （5）

式（5）中，f_b表示滚动轴承5的滚动体故障特征频率，R_pmi表示滚动轴承5的内圈频率，d表示滚动轴承5的滚动体直径，D表示滚动轴承5的滚动体节径，а表示滚动轴承5的接触角；

保持架故障特征频率计算模块，用于根据式（6）计算双馈发电机的滚动轴承5的保持架故障特征频率；

f_c=1/2·R_pmi/60·(1-d/D·cosа)±R_pm0/60·(1+d/D·cosа)              （6）

式（6）中，f_c表示滚动轴承5的保持架故障特征频率，R_pmi表示滚动轴承5的内圈频率，R_pm0表示滚动轴承5的外圈频率，d表示滚动轴承5的滚动体直径，D表示滚动轴承5的滚动体节径，а表示滚动轴承5的接触角；

故障特征频率比较判定模块，用于将双馈发电机驱动端、非驱动端滚动轴承5的轴承故障特征频率信号分别与滚动轴承5的外圈故障特征频率、滚动轴承5的内圈故障特征频率、滚动轴承5的滚动体故障特征频率、滚动轴承5的保持架故障特征频率进行比较，从而判断双馈发电机驱动端、非驱动端的滚动轴承5的故障类型以及故障程度并输出判断结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。