回转支承轴承的状态监测方法、装置及风力发电机组

摘要

本发明提供一种回转支承轴承的状态监测方法、装置及风力发电机组。在回转支承轴承的外圈处设置有与外圈紧固连接的轴承外延部，所述方法包括：获取轴承外延部上的测试位置的位移数据；根据获取到的位移数据确定回转支承轴承的变形量；根据变形量确定回转支承轴承的损耗状态。采用本发明的技术方案，可以通过轴承外延部来放大回转支承轴承的变形量，进而方便对回转支承轴承的损伤进行有效监测。

说明书

技术领域

本发明涉及机械故障诊断技术领域，尤其涉及一种回转支承轴承的状态监测方法、装置及风力发电机组。

背景技术

回转支承轴承是机械结构中的常用部件，其运行状态对机械结构的性能产生直接影响。在回转支承轴承的长时间运行过程中，其内外圈与滚珠存在较大的磨损时，内外圈之间的游隙会变大，若回转支承轴承承受较大载荷，容易造成内外圈分离；而且回转支承轴承的内外圈还可能出现疲劳裂纹。若回转支承轴承出现这类严重磨损或存在裂纹的损伤，容易导致其连接的机械结构出现机械故障。

但是，由于回转支承轴承常用于低速重载的旋转部件(例如，风力发电机组的变桨轴承)，很难用常规的振动手段进行检测。在管道裂纹监测中广泛应用的超声导波技术，在压力容器的裂纹检测中广泛应用的声发射技术，以及其他常规的检测手段，均由于回转支撑轴承存在较多的固定螺栓，疲劳裂纹扩展缓慢、产生能量较小，或者回转支撑轴承运行时的摩擦干扰等原因，无法应用到回转支撑轴承的损伤监测中。

总之，现有技术的检测手段，无法在回转支撑轴承的运行过程中，对其严重磨损、裂纹等损伤进行有效监测。

发明内容

本发明的实施例提供一种回转支承轴承的状态监测方法、装置及风力发电机组，以实现对回转支撑轴承的严重磨损、裂纹等损伤进行有效监测。

为达到上述目的，本发明的实施例提供一种回转支承轴承的状态监测方法，在回转支承轴承的外圈处设置有与所述外圈紧固连接的轴承外延部，所述方法包括：获取所述轴承外延部上的测试位置的位移数据；根据获取到的所述位移数据确定所述回转支承轴承的变形量；根据所述变形量确定所述回转支承轴承的损耗状态。

优选地，所述获取所述轴承外延部上的测试位置的位移数据的处理包括：获取探头设置在所述测试位置上的电涡流传感器采集所述轴承外延部上的测试位置的位移数据；其中，所述测试位置距所述轴承外延部边缘的距离大于或等于所述电涡流传感器的探头直径的设定倍数。

优选地，所述外圈的与所述轴承外延部紧固连接的部分对应的角度范围为90度～120度。

优选地，所述根据所述变形量确定所述回转支承轴承的损耗状态的处理包括：如果所述变形量超过预设变形阈值，则确定所述回转支承轴承存在裂纹或严重磨损。

优选地，所述回转支承轴承为风力发电机组的变桨轴承，并且在所述风力发电机组的主控系统中执行所述方法。

优选地，所述方法还包括：获取所述风力发电机组的工况数据；所述根据所述变形量确定所述回转支承轴承的损耗状态的处理包括：如果所述变形量超过所述工况数据对应的预设变形阈值，则确定所述变桨轴承存在裂纹或严重磨损。

优选地，所述工况数据对应的预设变形阈值包括：根据实验工况数据进行变形仿真计算获得的第一预设变形阈值，和/或根据历史工况数据和历史变形数据确定的第二预设变形阈值；其中，所述工况数据包括所述风力发电机组的叶片位置数据和/或所处环境的风速数据。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例还提供一种回转支承轴承的状态监测装置，所述装置包括：轴承外延部，设置在回转支承轴承的外圈处并与所述外圈紧固连接；位移数据采集模块，用于采集所述轴承外延部上的测试位置的位移数据；变形量确定模块，用于根据采集到的所述位移数据确定所述回转支承轴承的变形量；损耗状态确定模块，用于根据所述变形量确定所述回转支承轴承的损耗状态。

优选地，所述位移数据采集模块包括电涡流传感器；所述电涡流传感器的探头设置在所述测试位置上，用于采集所述轴承外延部上的测试位置的位移数据；其中，所述测试位置距所述轴承外延部边缘的距离大于或等于所述探头的直径的预设倍数。

优选地，所述外圈的与所述轴承外延部紧固连接的部分对应的角度范围为90度～120度。

优选地，所述损耗状态确定模块用于如果所述变形量超过预设变形阈值，则确定所述回转支承轴承存在裂纹或严重磨损。

优选地，所述回转支承轴承为所述风力发电机组的变桨轴承，所述装置设置在所述风力发电机组的主控系统中。

优选地，所述装置还包括：工况数据接收模块；用于获取所述风力发电机组的工况数据；所述损耗状态确定模块用于：如果所述变形量超过所述工况数据对应的预设变形阈值，则确定所述变桨轴承存在裂纹或严重磨损。

优选地，所述工况数据对应的预设变形阈值包括：根据实验工况数据进行变形仿真计算获得的第一预设变形阈值，和/或根据历史工况数据和历史变形数据确定的第二预设变形阈值；其中，所述工况数据包括所述风力发电机组的叶片位置数据和/或所处环境的风速数据。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例还提供一种风力发电机组，所述风力发电机组中设置有上述的回转支承轴承的状态监测装置。

本发明的实施例提供的回转支承轴承的状态监测的方法及装置，通过在回转支承轴承的外圈处设置轴承外延部，来放大回转支承轴承的变形量，并通过采集轴承外延部的位移数据来间接确定回转支承轴承的变形量，进而确定回转支承轴承的损耗状态，可以有效地对回转支承轴承进行损伤监测。

附图说明

图1为本发明的实施例一提供的回转支承轴承的状态监测方法的流程图；

图2为本发明的实施例一提供的回转支承轴承的工作状态示意图；

图3为本发明的实施例二提供的回转支承轴承的状态监测方法的流程图；

图4为本发明的实施例四提供的回转支承轴承的状态监测装置的结构框图；

图5为本发明的实施例五提供的回转支承轴承的状态监测装置的结构框图。

附图标号说明：

201、外圈；202、内圈；203、轴承外延部；204、回转支承轴承驱动支架；205、位移传感器；206、位移传感器支架。

具体实施方式

本发明的基本构思是，提供一种回转支承轴承的状态监测方法、装置及风力发电机组，在回转支承轴承的外圈上设置与外圈紧固连接的轴承外延部，用于放大回转支承轴承的变形量，并采集轴承外延部的位移数据来间接确定回转支承轴承的变形量，根据该变形量来相应地确定回转支承轴承的损耗状态。由此，可以在回转支承轴承的运行过程中，实现对回转支承轴承的损耗状态的有效监测，以避免出现由回转支承轴承损伤而导致的机械故障。

下面结合附图对本发明的实施例提供的回转支承轴承的状态监测方法、装置及风力发电机组进行详细描述。

实施例一

图1为本发明的实施例一提供的回转支承轴承的状态监测方法的流程图。可由例如图4所示的状态监测装置或包括该状态监测装置的机械结构(例如，风力发电机组)执行该方法。

如图1所示，在步骤S110，获取轴承外延部上的测试位置的位移数据。

在回转支承轴承的运行过程中，由于回转支承轴承出现的损伤(疲劳裂纹、磨损等)引起的变形量较小，进行直接检测的难度较高，且准确度较低。根据本发明的基本构思，为了准确地检测出回转支承轴承的变形量并降低测试难度，在回转支承轴承上设置轴承外延部，用于放大回转支承轴承的变形量，通过获取轴承外延部的变形量可以间接获取回转支承轴承的变形量。

如图2所示，在回转支承轴承的外圈201处上设置轴承外延部203，轴承外延部203紧固连接(通过螺栓等连接组件)在外圈201的外周。若内圈202或外圈201出现裂纹，或者内圈202与外圈201出现严重磨损，则回转支承轴承产生变形，其变形量较小，而轴承外延部203的变形量较大。轴承外延部203的变形量可以通过测试轴承外延部203在回转支承轴承的运行过程中的位移数据来确定。

在一种可行的实现方式中，在轴承外延部203上选定测试位置来设置位移传感器205，并通过在回转支承轴承驱动支架204上设置位移传感器支架206，用于在回转支承轴承的运行过程中，使位移传感器205稳定的设置在测试位置上。如此，可以采集测试位置的位移数据，作为轴承外延部203的位移数据。

在步骤S120，根据获取到的位移数据确定回转支承轴承的变形量。

在获取到采集的轴承外延部的位移数据之后，相应地根据该位移数据确定轴承外延部的变形量(例如，位移变化量)。根据预设的对应关系，将轴承外延部的变形量直接转化为回转支承轴承的变形量，进而相应地确定轴承外延部的变形量。

例如，轴承外延部的变形量与回转支承轴承的变形量呈线性关系，将轴承外延部的变形量乘以固定值(该固定值小于1，例如2/3)，即可以计算出回转支承轴承的变形量。

在步骤S130，根据变形量确定回转支承轴承的损耗状态。

在确定回转支承轴承的变形量之后，可以根据变形量判断回转支承轴承是否处于正常运行状态。若回转支承轴承的变形量较小，则确定其损耗程度较小，对于这种情况下的回转支承轴承，可视为其未出现损伤，处于正常运行状态。若回转支承轴承的变形量较大，则确定其损耗程度较大，对于这种情况下的回转支承轴承，可视为其已经出现损伤，处于严重损耗状态。

此外，若确定回转支承轴承处于严重损耗状态，可以相应地发出报警信息(该报警信息中包括回转支承轴承的位置等信息)，用于及时通知工作人员相应的回转支承轴承已经出现损伤，需要更换或维护，从而达到避免引起机械故障的目的。

本发明的实施例提供的回转支承轴承的状态监测方法，通过设置与回转支承轴承的外圈紧固连接的轴承外延部，采集轴承外延部的位移数据来间接测试回转支承轴承的变形量，并相应地确定回转支承轴承的损耗状态，通过放大回转支承轴承的变形量，实现了在回转支承轴承的运行过程中对回转支承轴承损伤的有效监测，而且测试精度较高、测试难度较低。

实施例二

图3为本发明的实施例二提供的回转支承轴承的状态监测方法的流程图。该方法可视为图1所示实施例的回转支承轴承的状态监测方法的一种具体实现方式。

如图3所示，在步骤S310，获取探头设置在测试位置上的电涡流传感器采集轴承外延部上的测试位置的位移数据。

本实施例中，可通过将电涡流传感器的探头设置在轴承外延部上的测试位置上，利用电涡流传感器可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，来精确地测试轴承外延部上的位移数据。当然，在其它实施例中，还可以采用其它类型的位移传感器。

优选地，测试位置距轴承外延部边缘的距离大于或等于电涡流传感器的探头直径的预设倍数。

在轴承外延部上选定测试位置时，选择轴承外延部上与边缘的距离大于或等于电涡流传感器的探头直径的预设倍数处的位置，作为测试位置的中心点，用于使轴承外延部上测试面积足够大，提高电涡流传感器的测试精度。例如，该预设倍数为1.5倍，相当于测试面积的半径不小于探头半径的3倍，可以使测试面积不小于探头面积的9倍，能够保证轴承外延部的被测面积足够大，达到电涡流传感器所要求的理论值(该理论值通常为电涡流传感器的探头面积的9倍)，保证测试精度。

因此，轴承外延部的外延尺寸需要足够大，才能满足上述被测面积的要求。例如，轴承外延部沿回转支承轴承的径向外延至回转支承轴承的半径的1.5倍，方便在轴承外延部上选择测试位置来测试其位移数据。而且，由于轴承外延部的变形较小，通过增加轴承外延部的外延尺寸，可以提高测试精度。

优选地，回转支承轴承的外圈的与轴承外延部紧固连接的部分对应的角度范围为90度～120度。

这里所说的角度范围，用于限定轴承外延部沿回转支承轴承周向的长度，使外延尺寸足够大，以保证测试精度；同时，又限定外延尺寸，避免影响回转支承轴承的正常运行。其具体值，可以根据回转支承轴承的具体安装空间、对变形量的预测值等因素来确定。

此外，本实施例对轴承外延部沿回转支承轴承的轴向的宽度不做限定，满足合适的安装空间与方便进行测试即可。

在步骤S320，根据获取到的位移数据确定回转支承轴承的变形量。

具体地，根据预设的算法，将获取的位移数据转化轴承外延部的变形量后，直接转化为相应的轴承外延部的变形量。

在步骤S330，如果变形量超过预设变形阈值，则确定回转支承轴承存在裂纹或处于严重磨损状态。

其中，预设变形阈值为回转支承轴承在指定机械结构中，承载一定外界载荷作用下，能够正常运行时对应变形量的标准值。其具体值可以通过以下两种方式中的至少一种来确定：

一、第一预设变形阈值，获取回转支承轴承在指定机械结构不同工况下的工况数据，将获取的工况数据作为实验工况数据，利用仿真计算模拟回转支承轴承在不同工况下的运行状态，进而得出回转支撑轴承在在不同工况下的变形量数据。通过仿真计算得到的变形量数据为回转支承轴承的变形量理论值，也即，该第一预设变形阈值为理论值。

二、第二预设变形阈值，根据统计得到的回转支承轴承的变形量的经验值确定，即从不同时间段获取的回转支承轴承的历史变形量数据中，获取与回转支承轴承的当前工况相同的历史工况对应的变形量数据作为第二预设变形阈值。也即，该第二预设变形阈值为历史数据。

若回转支承轴承的内圈或外圈出现裂纹，或者内圈或外圈与滚珠的磨损较大(该回转支承轴承的寿命已到极限)，在外界载荷的作用下，内外圈产生性对位移，获取到的回转支承轴承的变形连会超过预设变形阈值。因此，如果获取的变形量超过预设变形阈值，则可以确定回转支承轴承的损耗状态为，内外圈存在裂纹或内外圈严重磨损。此时，回转支承轴承已经出现损伤，不能继续正常运行，否则随时可能会造成机械故障。

在具体地应用场景中，可以只利用第一预设变形阈值与检测到的变形量进行比较，来判断回转支承轴承是否出现损伤。但是，由于通过仿真计算不能完全模拟出回转支承轴承的实际运行过程，所以上述的第一预设变形阈值并不是完全准确。若第一预设变形阈值偏小，则检测结果多指示回转支承轴承出现损伤，需要工作人员进行现场检测来确认检测结果，并调整第一预设变形阈值的仿真程序来提高测试精度。若第一预设变形阈值偏大(大于第二预设变形阈值)，则可以在获取回转支承轴承的变形量之后，可以将结合第一预设变形阈值和第二预设变形阈值来判断回转支承轴承是否出现损伤。

例如，第一步，将获取的变形量与第一预设变形阈值进行比较，若变形量超过第一预设变形阈值，则确定回转支承轴承出现损伤。若变形量未超过第一预设变形阈值，则进行第二步，将获取的变形量与第二预设变形阈值进行比较。若变形量超过第二预设变形阈值，确定回转支承轴承出现损伤；若变形量未超过第二预设变形阈值，则确定回转支承轴承未出现损伤。

本发明的实施例提供的回转支承轴承的状态监测方法，在图1所示实施例的基础上，进一步示出了利用电涡流传感器采集轴承外延部的位移数据的具体方式，提高了测试精度；以及示出了确定回转支承轴承损耗状态的具体方法，保证对回转支承轴承进行的损耗状态监测，能够及时检测出回转支承轴承的存在裂纹、严重磨损等损耗状态。

实施例三

本实施例利用上述实施例一或实施例二的回转支承轴承的状态监测方法，来监测风力发电机组的变桨轴承的损耗状态。

在执行上述方法时，将风力发电机组的变桨轴承(一个或多个)作为待测回转支承轴承，并由风力发电机组的主控系统执行该方法。

在一种可行的实现方式中，在变桨轴承的外圈上设置轴承外延部，并在轴承外延部上选取合适的测试位置，设置位移传感器(如电涡流传感器)来采集轴承外延部上的位移数据，位移传感器将采集到的位移数据发送到风力发电机组的主控系统，即可使主控系统对变桨轴承的损耗状态进行监测。

其中，位移传感器设置在风力发电机组的变桨系统中，可以通过与其连接的无线路由器将采集到的位移数据发送到主控系统。此外，主控系统也可以将确定得到的变桨轴承的变形量的数据，通过无线网络(例如，主控系统上安装有通信卡)上传至云服务器，以方便客户在远端下载变形量的数据进行详细分析。

优选地，在执行确定变桨轴承的损耗状态的步骤之前，获取风力发电机组的工况数据，并结合确定的变桨轴承的变形量与该工况数据，判断不同工况下的变桨轴承的变形量是否超过对应的预设变形阈值，进而确定变桨轴承的损耗状态。

在实际的应用场景中，根据获取的工况数据，将检测到的变桨轴承的变形量与该变形量所处工况对应的预设变形阈值(包括上述实施例二中的第一预设变形阈值和第二预设变形阈值)进行比较。如此，相当于将变桨轴承在不同工况时对应的载荷与变形量相结合，可以精确地确定变桨轴承是否出现损伤。

优选地，该工况数据包括风力发电机组的叶片位置数据和所处环境的风速数据。

由于风力发电机组的变桨轴承直接或间接带动叶片转动，叶片的位置与所处环境的风速是决定变桨轴承所承载的载荷的关键因素，通过将叶片位置数据和风速数据作为工况数据，与变桨轴承的变形量相结合，可以更加精确地确定变桨轴承是否出现损伤。此外，该工况数据还可以包括风力发电机组的叶片的转速数据、发电机的功率数据等。

本实施例中，对检测到的变桨轴承的变形量，分别进行与第一预设变形阈值和第二预设变形阈值的对比。具体地，根据不同风速下风力发电机组的工况进行仿真计算，得到不同风速下变桨轴承的变形量的仿真值作为第一预设变形阈值；以及按照不同风速，以10分钟为一个统计时长，统计多个统计时长内不同风速下检测到的变桨轴承的变形量(或者统计时长内检测到的变形量的平均值、变化趋势等数据)作为第二预设变形阈值。

首先进行第一步对比，若检测到的变桨轴承的变形量超过第一预设变形阈值，则确定变桨轴承出现损伤，需要工作人员进行实地检查。若检测到的变桨轴承的变形量未超过第一预设变形阈值，则暂时确定变桨轴承未出现损伤。此时，进行第二步对比，若检测到的变桨轴承的变形量超过第二预设变形阈值，则确定变桨轴承出现损伤；若检测到的变桨轴承的变形量未超过第二预设变形阈值，则确定变桨轴承可以继续正常运行。

其中，在进行第二步对比时，可以通过将一个统计时长内检测到的变形量，与之前的一个(或多个)统计时长检测到的变形量(相当于第二预设变形阈值)进行对比。例如，表1为一个统计时长内不同风速段对应变形量的分布区间统计表，将表1与前一个(多个)统计时长对应的变形量的分布区间统计表进行对比，可以得到所检测到的变形量的变化趋势。若对比结果指示检测到的变形量的分布区间呈右移趋势，则说明相同变形量区间内分布的检测到的变形量的数据增多，相当于上述检测到的变形量超过第二预设变形阈值，此时，可以确定变桨轴承出现损伤。

表1.不同风速段对应变桨轴承的变形量的分布区间统计表

可选地，风力发电机组的主控系统根据所确定的变桨轴承的损耗状态，来相应地控制风力发电机组的运行。例如，如果变桨轴承的损耗状态指示变桨轴承未出现损伤，则主控系统控制风力发电机组继续正常运行；如果变桨轴承的损耗状态指示变桨轴承已出现损伤，则主控系统控制风力发电机组顺桨停机，以对变桨轴承进行更换或维护。

本发明的实施例利用上述的回转支承轴承的状态监测方法，来对风力发电机组的变桨轴承进行损耗状态的监测，可以在风力发电机组的运行过程中精确地监测变桨轴承是否出现损伤，从而有效避免变桨轴承出现损伤而导致叶片掉落等事故。

实施例四

图4为本发明的实施例四提供的回转支承轴承的状态监测装置的结构框图，该装置可用于执行上述实施例一提供的回转支承轴承的状态监测方法。

如图4所示，该装置包括轴承外延部410、位移数据采集模块420、变形量确定模块430和损耗状态确定模块440。

其中：轴承外延部410设置在回转支承轴承的外圈处并与外圈紧固连接；位移数据采集模块420用于采集轴承外延部上的测试位置的位移数据；变形量确定模块430用于根据采集到的位移数据确定回转支承轴承的变形量；损耗状态确定模块440用于根据变形量确定回转支承轴承的损耗状态。

本发明的实施例提供的回转支承轴承的状态监测装置，利用设置在回转支承轴承上的轴承外延部，来放大回转支承轴承的变形量，并利用方便采集的轴承外延部的位移数据，来间接测试回转支承轴承的变形量，从而相应地确定回转支承轴承的损耗状态，测试精度较高、测试难度较低，实现了对回转支承轴承是否出现损伤的有效监测。

实施例五

图5为本发明的实施例五提供的回转支承轴承的状态监测装置的结构框图，该装置可视为图4所示回转支承轴承的状态监测装置的一种具体实现方式。

优选地，位移数据采集模块包括电涡流传感器；电涡流传感器的探头设置在测试位置上，用于采集正常外延部上的测试位置的位移数据；其中，测试位置距轴承外延部边缘的距离大于或等于探头的直径的预设倍数。

优选地，外圈的与轴承外延部410紧固连接的部分对应的角度范围为90度～120度。

优选地，损耗状态确定模块440用于如果变形量超过预设变形阈值，则确定回转支承轴承存在裂纹或严重磨损。

优选地，回转支承轴承为风力发电机组的变桨轴承，该装置设置在风力发电机组的主控系统中。

优选地，该装置还包括：工况数据接收模块450，用于获取风力发电机组的工况数据；损耗状态确定模块440用于如果变形量超过工况数据对应的预设变形阈值，则确定变桨轴承存在裂纹或严重磨损。

优选地，工况数据对应的预设变形阈值包括：利用预设算法对工况数据进行计算得出的第一预设变形阈值，和/或在与工况数据的对应工况相同的历史工况中获取的第二预设变形阈值与；其中，工况数据包括风力发电机组的叶片位置数据和所处环境的风速数据。

本发明实施例提供的回转支承轴承的状态监测装置，在上述实施例四所示装置的基础上，进一步示出了利用电涡流传感器采集轴承外延部的位移数据的具体方式，和确定回转支承轴承损耗状态的具体方法，能够在回转支承轴承的运行过程中精确地监测损耗状态；以及进一步示出了监测风力发电机组的变桨轴承的具体方式，能够对变桨轴承是否出现损伤进行有效监测。

在此基础上，本发明的实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组中设置有图4或图5所示的用于监测风力发电机组的变桨轴承的回转支承轴承的状态监测装置。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个部件/步骤拆分为更多部件/步骤，也可将两个或多个部件/步骤或者部件/步骤的部分操作组合成新的部件/步骤，以实现本发明的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。