可提前预警的风力发电机轴承无线测温的研究与应用

可提前预警的风力发电机轴承无线测温的研究与应用

米辉

大唐内蒙古分公司蒙西新能源事业部   010000

摘要：温度是反映风力发电机轴承运行状态的重要指标之一，高速运行中轴承旋转套圈的温度远高于静止套圈温度，实现轴承旋转套圈(通常为内圈)的实时温升监测对保证运行安全尤为重要。基于电气和机械设计技术的协同，提出一种风力发电机轴承内圈温度无线监测方案，将测试系统嵌入轴承锁紧螺母中，利用锁紧螺母与轴承接触配合实现对轴承内圈温度采集。设计研究集成温度测试、无线数据传输及无线电能供给电路。重点实现电能无线供给以满足轴承旋转套圈温度持续监测的电能需求。该方法在保障轴承完整性的条件下能实现轴承旋转套圈温度的监测，为轴承状态监测和热特性试验研究提供了新的技术手段，解决了实际工况下轴承旋转套圈测温难题。

关键词：风力发电机轴承；内圈温度监测；无线监测；无线供电

0前言*

温度是衡量轴承服役性能的重要指标，局部瞬时温升及热失效是轴承主要失效诱因。文献研究表明，高速下50%的失效源于轴承热问题。由于轴承内圈散热条件较差，并长期工作在交变载荷中，导致高速下内圈温度远高于外圈温度。如何准确监测高速运转的轴承内圈温度，是高速轴承研究中急需的关键技术之一，在轴承旋转部件温度监测研究方面，KOVACS，等利用LC振荡原理研究轴承内部温度，采用电磁耦合方式进行信号传输，但信号传输距离和强度随着接收端的远离成指数衰减，信号容易受到轴承周边铁磁环境的干扰，而且结构尺寸较大。GUPTA等[9]利用钐钴磁铁做成磁环，磁环所产生的磁场会随着温度升高而减弱，通过霍尔传感器采集磁场的大小进而映射轴承内圈的温度。磁环整体贴合于轴承内圈，反映出的温度是轴承内圈的平均温度情况。此外，磁环的磁场在一定程度上会受到周围铁磁性介质的影响，进而影响测试精度。在轴承服役状态下，难以实现对轴承内圈温度的监测。为此，本文提出一种嵌入式风力发电机轴承内圈无线测试方案，利用无线数据传输技术和无线供电技术，在不改变轴承转子系统结构的情况下，实现轴承内圈温度长期实时的在线监测。

1测试系统硬件总体方案设计

温度信号是一种缓变的物理信号。轴承正常平稳运行状态下，温度相比于速度、加速度信号变化缓慢，当轴承温度到达热平衡状态，其温度基本保持恒定，因此可用较低的采样频率实现对轴承内圈温度的采样。本文利用嵌入式技术将测试系统嵌入到轴承的锁紧螺母中，通过热电偶接触测量，实现轴承内圈温度监测。其原理如图1所示。风力发电机轴承内圈温度测试系统主要由温度采集系统、数据无线传输和无线能量供给三部分组成。将热电偶采集得到的温度信号通过ADC转换为数字信号，通过无线数据传输方式，将测得的温度数据传输至信号接收端并进行显示记录。通过谐振耦合方式无线供电，实现测试系统电能的无线输送，进而实现轴承高速旋转状态下内圈温度长期监测，获得轴承整寿命时间段内温度变化的完整数据。其整体系统结构如图1所示。

图1测试系统结构

该方案相比较于非接触式测试系统，其测试精度不会因轴承工作中复杂的油雾环境而受到影响，具有较好的稳定性。

2温度采集功能设计

轴承服役空间狭小，传感器安装排布的空间十分有限，为此需要精简电路设计，采用较少的元器件和微小的温度传感器实现轴承内圈的温度测量。温度传感器有数字信号的和模拟信号的两种，如热电偶、铂热电阻、DS18B20等，其具体参数如表1所示。

表1常用温度传感器技术参数

铂热电阻测试过程中需要恒流源进行供电，而添加恒流源后增加元器件数量，进而会增加电路板的尺寸，不适合集成到尺寸小的系统中，另外DS18B20测试工作过程中灵敏度较差，在高温测量时有较为明显的迟滞，综合考虑测试系统的尺寸和测试精度的要求，选择K型热电偶作为温度采集端。热电偶属于无源传感器，可以把温度信号直接转换成热电动势信号。输出的电压信号通过冷端补偿处理后，经过ADC转换可以得到准确的温度信号。本系统采用MAXIM公司的MAX6674来实现热电偶的模数转换，该芯片集成补偿和ADC于一体，如图3所示，通过控制S3及S4开关使ADC分别采集冷端补偿二极管的电压及热电偶输出电压，进而实现对温度的准确采集，测试的分辨率为0.125℃，并通过SPI通信方式与单片机进行数据传输。

3无线数据传输功能设计

测试过程中，数据的实时传输尤为重要。由于测试对象在高速旋转，传统的利用导线传输数据的方式难以实现。因此本系统采用无线数据传输的方式。轴承安装空间有限，因此在设计测试系统时，尽量采用较小尺寸的芯片。nrf24lu1+内部集成了8051的内核，芯片尺寸5 mm×5 mm，软件上仅需要对节点地址、传输速率等几个参数进行配置，即可完成点对点的无线通信配置，是较为合适的选择。数据发射与接收的配置过程如图4所示，分别用绿色和红色标出了发送和接收数据过程的传输路径。

图4发射与接收配置

接收端同样采用nrf24lu1+为主控制器，利用USB接口同时实现模块的电能供给及信号接收，该模块尺寸为16.2 mm×38.5 mm。。利用LabVIEW中的NI-VISA模块配置接收端的USB驱动，将轴承内圈温度数据传输至LabVIEW后台中进行处理转换，对温度值进行显示和记录。

4结论

风力发电机轴承内部空间狭小，安装空间有限，而且内圈常处于高速旋转状态，本文利用嵌入式技术将温度测试系统嵌入到轴承的锁紧螺母中，对轴承内圈温度进行接触式监测，主要结论如下。(1)提出了一种嵌入式测试方法，在不影响轴承完整性的条件下实现轴承内圈接触式温度测量，并以32008风力发电机轴承为例，实现了其内圈温度实时在线监测，验证了该测试方案的可行性。(2)风力发电机轴承在工作条件下，内圈温度明显高于外圈温度，并且随着转速的提高，内外圈温差越发明显。因此，对关键轴承零部件实现内圈温度监测是十分必要的。(3)轴承内圈温度可以较为敏感地反映出轴承工况的改变，可以较为及时反映出轴承的工作状态。

参考文献

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