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[学位]

噪声利用理论及风电机组故障诊断应用研究

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Author:

李国英 (李国英.)

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Abstract:

随着现代工业和科技的飞速发展,风电机组不断向大型化、集成化、精密化、自动化和智能化方向发展。风电机组复杂的内部结构及其复合的传递运动,使得故障动态信号相互调制及耦合,特别是微弱故障特征容易被淹没在强烈的噪声中,造成故障识别困难。针对风电机组开展故障诊断研究,不仅要实现对中、晚期明显故障的准确识别,更重要的是对潜在危险——早期故障、微弱故障的研究,以便尽早识别风电机组在运行时萌发的故障,变“事后维修”为“事前控制”,防患于未然,从而提高运行可靠性,最大程度地缩减维护成本,避免重大事故的发生,降低事故危害性。因此,研究有效的早期微弱故障诊断信号处理技术和故障程度定量诊断方法具有重要的科学意义和工程价值。
传统信号处理方法均立足于抑制或消除噪声来实现信号故障特征的提取,但是当信号特征和噪声频率相同、相近或者背景噪声太大时,都不可避免地损害甚至破坏有用信号的特征。本文提出的噪声利用理论,不同于传统信号处理方法中“噪声无用”的观点,反其道而行之,立足于充分利用噪声的机制来实现信号特征的有效增强,既避免了信号特征因消噪造成的削弱或破坏,保证了信号特征的完整性,又因利用噪声这一先天优势,使得能够检测更低信噪比的信号,为微弱故障特征信号的增强检测开辟了一条新途径,在理论和应用上具有重要意义。
合理的性能评价指标是提高噪声利用理论自适应性以及故障诊断自适应性的关键。根据机械故障特征的表现形式和振动信号特点,针对经典测度指标中需要已知目标信号的准确频率这一问题,本文构造了协同信噪比指标,综合了传统信噪比、互相关系数、残余信号方差、过零点比率等因素,实现了噪声利用理论的性能判定与参数优化;数值仿真实验,对比分析了几种测度指标随系统参数的变化趋势,结果显示协同信噪比指标明显优于其他;针对实现随机共振过程中调节系统参数或噪声强度主要依据经验和大量实验来确定的现实问题,以协同信噪比为测度指标,提出了自适应随机共振,给出了该方法在机械故障诊断中的应用流程,数值仿真和模拟故障实验验证了协同信噪比指标在自适应选择随机共振系统参数中的能力,该方法成功应用于实际工程案例风机后轴承的振动故障特征的提取。
针对现有单一随机共振检测结果中依然含有可以利用的噪声能量,以及利用噪声增强信号的能力有限等问题,提出了以协同信噪比为目标函数,基于Paul小波的自适应多尺度噪声调节二阶随机共振增强方法;充分利用了小波的多分辨时频分析能力,将输入信号和噪声划分到不同频带,实现了不同频带信号和噪声强度大小的控制;充分利用了二阶随机共振的特性,实现了信号中噪声能量的进一步利用。数值仿真、实验数据及工程实际应用均验证了该方法的有效性。
针对集成经验模式分解(Ensemble empirical mode decomposition,EEMD)方法中噪声幅值大小和集合平均次数的确定缺乏有效地理论指导及模态分裂问题,根据待处理信号的时频特性与EEMD原理,提出了基于协同信噪比指标的自适应噪声利用集成经验模式分解方法,揭示了噪声添加的定量机制,提高了集成经验模式分解方法对微弱故障特征信号的检测能力。实验仿真和风机联轴器故障特征的有效提取均验证了该方法对微弱信号具有较强的处理能力。
针对大型风电机组等关键设备的运行过程振动状态监测系统大多采用传统信号处理的方法,并存在系统漏报误报率高、故障报警准确程度低等问题,在分析风电机组运行特点和复杂结构特点的基础上,参与开发实现了大型风电机组在线状态监测及故障诊断软件系统,并成功运用于风电机组的状态监测与故障诊断工程实践中,尤其是针对早期微弱故障的检测行之有效,为风电企业实时监测风电机组的运行情况及制定合理的预知维修方案提供了重要的科学依据。

Keyword:

风电机组 故障诊断 随机共振 自适应方法

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学机械工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 陈雪峰

Year: 2017

Language: Chinese

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30 Days PV: 7

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