基于光纤布拉格光栅传感的风力发电机传动系统振动监测与信号分析

《Optics & Laser Technology》：Vibration monitoring and signal analysis of wind turbine drivetrains based on fiber bragg grating sensing

　　摘要：风力发电机的传动系统在能量转换过程中起着关键作用，其运行状态直接影响风机的安全性。振动监测是评估传动系统状态的重要方法。目前，光纤光栅传感器技术主要用于监测风力发电机中单个部件的振动情况，大多数研究仍处于实验验证阶段。因此，本文研究了利用光纤布拉格光栅振动传感器对多台风力发电机传动系统进行同步监测的方法。研究以四台正在运行的风力发电机为对象，在传动系统的八个关键位置部署了经过校准的光纤布拉格光栅传感器。通过光纤布拉格光栅传感系统收集振动数据，并采用时域统计方法进行分析。分析结果表明，传感器的加速度系数在0.015到0.065之间波动，数值相对集中且一致性良好。测得的振动信号具有较大的动态范围，最大正加速度超过100米/秒2，最大负加速度超过80米/秒2。这种全面的监测有效反映了传动系统在运行过程中的实际振动状况。各台风力发电机传动系统部件的振动特性存在一定差异。光纤布拉格光栅传感器具有显著优势，能够实现对整个传动系统的全方位实时监测。本研究提升了光纤布拉格光栅传感器在风力发电机传动系统监测中的应用水平，为未来在振动监测位置选择及传动系统状态评估等方面的应用提供了可靠的数据基础。

引言：随着全球能源体系加速向更清洁、低碳的方向发展[1]，技术成熟度较高且已被广泛商业应用的風力能源已成为替代化石燃料、减轻环境压力的重要手段[2][3]。风力发电机作为支撑电力供应稳定性的重要基础设施，其内部包含主轴轴承、齿轮箱和发电机的传动系统是捕获风能并将其转化为电能的主要机械路径[4]。该传动系统的运行状态直接决定了发电效率与运行安全。风力发电机通常在恶劣的户外环境中长期运行，而传动系统故障占所有风机故障的一半以上[5][6]。例如，主轴轴承的磨损若未被及时发现，可能导致轴卡死；行星齿轮齿面的剥落会降低传动效率，并可能引发连锁结构损伤。这些风险凸显出对传动系统振动进行实时、精准监测的必要性，这对于提升运行可靠性及降低运维成本至关重要。振动分析是风力发电机传动系统状态监测与故障诊断的有效工具，它有助于定位机械子部件中的缺陷，进而建立剩余使用寿命预测的健康指标，这对降低风电场的运维成本具有重要意义[7]。目前，风力发电机的传动系统振动监测仍主要依赖基于机械或电学原理的传感器[8][9]。由于制造成本低且工程应用经验丰富，这类传感器已在风电场得到大规模应用。De Azevedo H D M等人[10]在正在运行的风机传动系统上安装了加速度计，结合时域统计分析与基于快速傅里叶变换的频率分析，实现了对轴承故障的初步检测。但该研究仅针对单台风机，缺乏多台风机的数据支持。Gómez M J等人[11]利用18台风力发电机的实时振动数据，在相同负载和转速条件下分析了信号，从而扩大了样本量。分析表明，部署在不同传动系统部件上的电学传感器可通过信号相关性辅助检测无直接传感装置的部件故障，同时也显示出缺失传感器会显著降低故障检测的覆盖率和准确性，为传感器布局优化提供了依据。Lin Q等人[12]搭建了包含齿根裂纹和断齿的行星齿轮以及外圈和内圈存在缺陷的滚动轴承的传动系统测试装置，分析了振动信号中所包含的故障特征。Li D等人[13]开发了一种改进的行星齿轮传动系集总参数动态模型，用于模拟振动信号并分析其振动响应。Dong X等人[14]利用海上原型风机及现场振动测量数据，系统分析了复杂海洋环境下的结构振动特性。Zhao Y等人[15]对一台陆上风机进行了长期监测，包括运行状态及塔体振动响应，并研究了塔体响应与传动系统状态之间的关联。然而，风电场复杂的运行环境限制了传统电学传感器的适用性。这类传感器依赖复杂的电路和信号处理模块，且易受风机内部强电磁场和射频干扰的影响，从而导致信号失真，降低测量精度。此外，传动系统所处的高电压、高温环境会加速传感器老化，缩短其使用寿命。同时，电学传感器的位移响应能力有限，对低频微振动敏感度不足。部分传感器体积较大，无法安装在齿轮箱等空间有限的区域，且电缆布线较为困难。因此，那些能够反映行星齿轮早期磨损的微弱信号往往会被忽略，这影响了传动系统振动监测的完整性。这些局限性表明，在对风力发电机传动系统进行长期高精度监测的需求下，传统电学传感器面临着日益突出的技术瓶颈[16]。为克服传统电学传感器抗干扰能力差、环境适应性弱的缺陷，光纤传感器已成为传感技术领域的研究重点[17][18][19][20]。其中，光纤光栅传感器凭借其独特的性能优势，在多个工业领域取得了显著进展[21][22][23][24]。光纤布拉格光栅传感器基于光纤芯层折射率周期性调制的原理工作，可通过布拉格波长偏移实现振动、应变和温度的精确测量[25][26][27][28][29]。作为一种光学介质，其传感与传输路径不受电磁辐射影响，可部署在发电机和功率变换器等强电磁环境中[30][31]。光纤材料具有较宽的工作温度范围和良好的耐腐蚀性，能够承受风电场常见的灰尘和高湿度等恶劣环境，因此相比电学传感器具有更好的长期稳定性。此外，光纤布拉格光栅振动传感器体积小巧，可集成在齿轮箱内的行星齿轮级等空间受限的位置。目前，光纤布拉格光栅传感器已应用于土木工程、航空航天和石化等领域[32][33][34][35][36]。在人机交互与康复领域，基于光纤布拉格光栅的传感手套可实时监测手指关节屈曲角度和手部姿态[37]。在航空航天测试中，光纤布拉格光栅传感器可在常压和低温加压实验过程中同时获取储罐壁的应变分布和温度变化情况[38]。在土壤研究方面，光纤布拉格光栅土壤应变传感器可通过原位应变测量来评估土壤性质的变化[39]。在地质监测领域，基于光纤布拉格光栅阵列的光学倾角仪可有效测量地表变形，为地质灾害的早期预警提供数据支持[40]。与上述领域相比，光纤布拉格光栅在风力发电机传动系统监测中的应用仍然较为有限。目前多数研究集中在实验室验证阶段，较少关注多传动系统部件之间的协同监测，无法满足实际应用需求。许多研究使用实验室测试装置，通过人为制造轴承外圈磨损或齿轮齿面剥落等故障来证明光纤布拉格光栅传感技术的可行性。Jia Y等人[41]设计了一种用于塔体振动监测的光纤布拉格光栅振动传感器，并通过有限元仿真模型评估了其灵敏度。但该研究的范围仅限于塔体，未涉及核心传动系统部件，且性能仅通过仿真验证，未在实际运行的风机上进行测试。此外，现有的少数与传动系统相关的研究通常仅针对单台风机的单个部件，未考虑不同部件之间的差异，也缺乏对整个传动系统多位置的同步监测。本文报道了一项利用光纤布拉格光栅振动传感器对多台风力发电机传动系统进行同步监测的研究。研究选择了四台正在运行的风机，在每台风机的八个关键位置部署了光纤布拉格光栅加速度计，这些位置包括前主轴轴承、后主轴轴承、齿轮箱低速轴、齿轮箱高速轴、第二级行星齿轮组、第一级行星齿轮组、发电机驱动端和发电机非驱动端。得益于其对电磁干扰的免疫能力和对极端环境条件的耐受性，该系统能够实时获取传动系统的全链路振动信号。本研究旨在突破传统电学传感手段的环境限制，解决光纤布拉格光栅技术在多台风机、多位置监测中的应用瓶颈，同时验证其在强电磁干扰和宽温度范围内的长期稳定性。通过对多个传动系统部件的振动数据进行协同分析，可为风电场提供更准确、更稳定的传动系统健康监测方案。所获得的数据集为故障特征提取、不同风机健康状态对比以及剩余使用寿命模型的构建奠定了基础。