基于無線傳輸的智能風電轉盤軸承測試系統設計及實現

方成剛，陳捷，謝冬華，孫冬梅，王華

(南京工業大學 機械與動力工程學院，南京 210009)

智能軸承，即在軸承上合理地集成各類傳感器的軸承，通過測試系統實時監測軸承內部參數變化，通過數據處理提取特征故障信號用以在早期找到軸承故障點，及時掌握軸承的運行狀態，采取控制措施，減少事后維修，最大程度地延長軸承的壽命，降低維護成本[1]。智能風電轉盤軸承是在直徑大于1 500 mm的風電轉盤軸承上集成測控系統，達到智能監測和控制的目的。

目前，智能軸承技術在國外已經有了迅速的發展，國際知名的軸承制造公司均已開發出集成有特殊功能傳感器的軸承單元，廣泛地應用于汽車、工程機械等重要領域[1-4]。在智能軸承的實現方式上，文獻[5-7]提出將微型化的傳感器和信號放大電路直接植入到軸承的外圈中。文獻[6-9]重點探討了應用于智能軸承的薄膜傳感器的特點、種類和安裝形式，并指出智能軸承用薄膜傳感器制備的關鍵技術問題。文獻[10]設計了嵌入式多參量傳感器的智能軸承，將各種功能的傳感器嵌入軸承外圈的槽式結構中, 實現對軸承運轉過程中振動信號、轉速信號、內圈(軸)和外圈溫度信號的采集。文獻[11-14]研究了1.5 MW偏航軸承為植入傳感器而導致局部結構改變對智能偏航轉盤軸承結構強度的影響，并提出了智能軸承相關的設計思想。

風電偏航軸承是風機的重要部件，位于風機的機艙底部并承載著風機的全部重量；風電變槳軸承承受風機葉片的重量和復雜載荷，由于安裝的位置不易拆卸且拆卸費用較高，一般要求其能有20年以上的使用壽命。因此，開發一種內植各種傳感器的智能風電轉盤軸承非常必要。經有限元計算[14]，在1.5 MW的轉盤軸承機械機構設計中，需要安裝各類傳感器，其開孔尺寸為6～14 mm，通過風電轉盤軸承試驗臺的試驗過程發現[14]，對于高速小尺寸的軸承，機械結構是關鍵；但對于大型的轉盤軸承，傳感器安裝開孔位置足夠，智能化的關鍵是測試系統，特別是故障診斷系統，在此重點討論測試系統的設計和技術實現。

1 測試原理

由于設計、制造、安裝和使用過程中的各種因素，會產生滾動體、滾道點蝕磨損，導致間隙增大；無油干摩擦；保持架碎裂；滾動體、滾道嚴重磨損并出現凹坑；內、外圈與上、下金屬結構的連接螺栓松動；金屬結構出現裂紋等故障，并在振動、溫度、摩擦力矩、噪聲、齒根應力等方面有所變化[15]。所以，這些參數都可以作為轉盤軸承的監測對象，通過信號處理技術，提取故障特征，從而實現對轉盤軸承的故障診斷，同時報警及早注油。

2 系統硬件組成

風電轉盤軸承轉速極低(偏航轉速低于0.15 r/min，變槳轉速低于26 r/min)，而低速旋轉機械的故障診斷一直是國內、外研究的難點，高速旋轉機械的成熟方法難以直接用于風電軸承。若僅用時域方法進行診斷，針對不同類型的轉盤軸承，時域閥值指標難以確定；若用頻譜分析方法，由于沖擊成分的能量占總能量的比值較低，也很難對轉盤軸承故障進行有效識別。在風電轉盤軸承的應用中對加速度傳感器采集的信號進行基于小波的故障診斷，取得了一定的研究成果，但需要采用復雜的時頻分析方法對故障進行判斷，如小波、HHT等算法[16]。在大型風電轉盤軸承的測試系統中如果采用嵌入式系統設計，對于復雜的數學計算會產生大量的軟件工作。因此，本測試系統擬采用集成度高的數據采集卡和計算機，可以利用PC機的強大計算功能，以避免設計數據采集卡和減少復雜數學計算軟件設計調試的工作，可以更專注于風電轉盤軸承的狀態監測和故障診斷的研究，有更好的可靠性。

各種傳感器一般安裝在定圈上，但風電轉盤軸承的驅動齒輪在風機上有內齒驅動和外齒驅動，為方便安裝和檢查，傳感器全部安裝于風電轉盤軸承的內圈，這就有可能出現部分傳感器安裝在動圈上。為避免風機和葉片的旋轉帶來傳感器的接線不便，擬采用可以固定安裝在轉盤軸承上的無線數據采集卡，數據采集卡可以和風電轉盤軸承同時旋轉。圖1為風電智能軸承硬件系統。其主要由風電轉盤軸承、傳感器、數據采集卡、無線傳輸模塊及工控機組成。監測智能軸承運轉的參數由數據采集卡采集(NI9239)，通過無線網絡(NI WLS-9163)傳輸至工控機，工控機中的虛擬儀器系統對數據進行顯示、保存、處理和控制等工作。

圖1 多組智能軸承遠距離虛擬儀器系統

2.1 傳感器的選擇和布局

在智能軸承中最容易實現采集的是溫度、加速度和摩擦力矩。

風電轉盤軸承轉速低于25 r/min，故障特征頻率低于5 Hz，振動能量較小，應選擇高靈敏度的傳感器,在此采用Endevco7290A-10電容式加速度傳感器，有利于減少測試噪聲并提高信噪比。在智能軸承系統中采用2～4個低頻加速度傳感器吸附于轉盤軸承定圈上。

轉盤軸承在實際運行過程中，溫升是最容易采集的信號，采用2～4個溫度傳感器成90°或180°安裝于轉盤軸承注油孔中。由于溫升受到環境溫度的影響，智能軸承中有一個溫度傳感器用于測量環境溫度，采用油脂溫度與環境溫度的差值作為評價的標準更為準確。

扭矩信號通過安裝電流傳感器測量，根據被測量找到匹配傳感器并合理布局，布局如圖2所示。

圖2 智能軸承傳感器布局圖

2.2 數據傳輸方式

2.2.1 傳輸方式選擇

目前，測試系統中的數據傳輸主要有無線和有線兩種方式。傳統上一般使用有線技術，但是在轉盤軸承之類的旋轉機械，傳感器的安裝受到了限制。隨著無線技術不斷發展完善，無線傳輸已經在旋轉機械、有毒化工行業的監測系統中大量應用。無線傳輸可以是數據的無線傳輸或無線的傳感器，由于目前用于高頻的無線加速度傳感器成本高昂，無線數據采集卡目前可以滿足振動級應變的數據采集，所以智能軸承虛擬儀器測試系統采用短距離無線傳輸。

2.2.2 無線傳輸協議的比較

當前，流行的短距離無線傳輸技術主要有：藍牙、ZigBee和WiFi。藍牙的優點是抗干擾能力強、成本低、功耗低、傳播速率高，缺點是傳播距離短、網絡容量小。WiFi技術的優點是傳播速率最高、傳播距離遠、網絡容量大，缺點是抗干擾能力一般，功耗大。然而WiFi廠商開發了低功耗的WiFi模塊，彌補了功耗大的缺點。ZigBee的優點是網絡容量大，功耗低，成本低、帶控制功能，缺點是傳輸速度慢[17]。對于振動信號的數據采集來說，單位時間數據的傳輸量很大，要求傳輸速度快，同時要求一定距離傳播，所以智能軸承測試系統采用WiFi無線傳輸。

2.3 數據采集卡的選擇和特點

為方便使用PC的強大數據處理功能，采用Labview開發應用軟件，方便實現虛擬儀器系統搭建和WiFi無線傳輸的使用，本系統使用NI公司的數據采集卡NI9239及無線傳輸模塊NI WLS-9163組合搭建出如圖1所示的硬件測試系統。NI9239數據采集卡用于同步采集轉盤軸承的振動信號及溫度信號；NI WLS-9163是無線通信的機殼，可提供標準10/100 Mbps以太網連接至主機。對于由多個轉盤軸承組成的系統，可以采用多組無線數據模塊同時與主機通信而實現數據采集。該系統非常適合對于像風力發電機這種具有偏航及變槳多個轉盤軸承的機構，對于內齒驅動且傳感器不方便進行布線的旋轉機構，采用這種基于虛擬儀器的智能軸承系統可以有效快速集成且能在遠距離實時采集數據。

3 智能軸承的軟件設計

3.1 數據采集軟件功能分析及實現

針對智能軸承中所需測得的信號，采用Labview開發了如圖3所示的應用軟件，包括了數據參數設置、數據保存、報警顯示和后處理分析等功能，系統軟件界面如圖4所示。

圖3 測試系統軟件部分

圖4 測試系統軟件界面

本系統的難點在于無線通信組網設置和軟件的后處理功能。通過Labview自帶的Measure-ment & Automation軟件設置NI WLS-9163與主機的通信方式，通信方式采用點對點通信，將傳感器接線接入NI9239數據采集卡，設置采樣率， NI9239即可通過NI WLS-9163與工控機通信。

3.2 后處理軟件功能分析及實現

智能軸承測試系統的數據采集功能還具有信號分析和控制算法等后處理功能。信號分析功能包括時域分析、頻域分析及時頻域分析，如圖5所示。控制功能包括越界報警和控制處理，如燈光、聲音報警、及時注油和降低轉速等，如圖6所示。

圖5 信號處理過程

圖6 越界報警及控制處理

4 試驗驗證

按照(NI WLS-9163)使用說明，其無線傳輸距離在100 m之內。為在實驗室完成實際傳輸距離和采樣頻率的性能測試，設計了以下試驗：

(1)單一無線模塊的數據傳輸，相同頻率正弦波輸入，在不同采樣頻率下，考察最遠的無線傳輸距離；

(2)多個無線模塊組網的數據傳輸，在不同采樣頻率下，考察最遠的無線傳輸距離。

表1為單模塊無線通信距離試驗結果，圖7為±5 V，450 Hz的正弦信號輸入的無線采集效果圖，幅值誤差在1.3%以內，相位誤差在5%以內，在智能軸承中可以滿足數據分析的需要。

表1 單模塊無線通信距離試驗結果

圖7 單無線模塊通信效果

采用同樣的方法將兩組無線傳輸模塊與主機組網，發現兩組模塊同時傳輸至主機與單個無線模塊傳輸至主機效果相同，可見多個無線模塊組網的智能軸承測試系統可以實現。

5 結束語

智能軸承配備布置合理的傳感器，采用NI公司的數據采集卡和無線傳輸模塊及Labview 軟件組建的智能軸承系統，可實現多信號并行傳輸并且能滿足高頻信號較長距離的實時采集，可以很好地完成數據采集、數據分析及控制等一系列的工作，為后續降低成本，實現無線傳輸的智能轉盤軸承嵌入式測試系統設計打下了基礎。