基于物元描述的風電機組關鍵部件狀態評價

趙春華 汪 偉 潘鵬程 鐘先友

（三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

風能是一種清潔的永續能源，其利用依賴于風電機組的可靠運行［1－2］.風電機組的工作環境及狀態較為惡劣.比如水平軸風電機組運行在幾十米的高空，機械傳動動力系統受到風擾動的影響，其載荷變化比較復雜，尤其我國部分風電場處于山區或丘陵地帶，氣流受地形影響發生不可預測的變化，使得風電機組長期處于復雜的交變載荷下工作.另外，風電機組長期暴露在風沙、雨雪、海洋咸濕、溫度驟變等惡劣環境下，承受不可預測的雷擊、閃電、暴風冰霜以及電網損壞造成的額外載荷，即承受瞬態、頻變疲勞載荷，使得風電機組的齒輪箱、軸承及葉片等關鍵部件的受載及摩擦磨損狀況更加復雜，其狀態描述過程困難［3］.可拓學理論采用形式化設計同時考慮解決問題的規律和方法，其利用物元的可拓性，根據實際需要，盡可能地開拓出各種有用信息.例如文獻［4］通過建立物元模型一定程度上解決燃氣輪機的多故障診斷問題.文獻［5－6］分別建立了滾動軸承和試驗機滑動磨損狀態物元模型，從定量的角度進行了可拓綜合評價.由此可見，可拓物元理論適用于復雜對象多源、多因素的矛盾問題的解決.

1 可拓物元理論的風電機組關鍵部件描述模型

1.1 可拓物元概論

可拓學是我國廣州工業大學蔡文教授于1983年創立的一門橫斷學科，是用形式化的模型研究事物拓展的可能性和開拓創新的規律和方法，對事物進行定量和定性分析，并用于解決矛盾問題［7］.

物元，是描述事物的基本元，它以有序的三元組R＝（N，c.v）來表示.其中N表示事物，c表示特征的名稱，v表示N關于c所取的量值，這三者稱為物元的三要素.物元概念中以v＝c（N）反映事物的質和量之間的關系.多特征事物及具有相應的多量值時，可以如下表示：

物元在可拓學中被視為邏輯細胞，用符號來描述客觀世界的各種事物，用物元的變換來描述事物的變化，以形成各種矛盾問題的解決方法和路徑.可拓綜合評判方法也叫優度評價方法，這是可拓學中評價一個對象，包括事物、策略、方法等的優劣的基本方法，其理論建立在可拓集上，利用關聯函數能把對象數值化，同時利用關聯函數值的正域、負域和零界描述事物從量變到質變過程［8］.在風力發電機機關鍵部件系統狀態辨識的過程中，需要對系統的各種狀態進行描述，風力發電機系統狀態描述問題實質上是對模式的綜合評價問題.利用可拓綜合評價方法能很好地描述系統所處的狀態，這種方法不僅能定性地確定系統是否發生異常，還能對異常狀況發生的程度通過關聯函數進行定量的描述.

在可拓集合中，引入了關聯函數這一概念，通過關聯函數可以定量地描述論域U中的元素x具有性質p的程度及變化，建立實軸上的關聯函數［9］.首先把實變函數中距離的概念拓展為距的概念，作為把定性描述擴大為定量描述的基礎，規定實軸上點x0與區間X0＝〈a，b〉之距為

點與區間的距離d（x0，X0）與距ρ（x0，X0）的關系為

在距的基礎上建立關聯函數把“具有某性質P”的事物從定性描述拓展到“具有某性質P”的定量描述，并建立了初等關聯函數［10］.

1.2 風電機關鍵部件多源物元模型建立

對于復雜對象因狀態退化引起的多源多故障識別的研究，可拓理論中的多維物元的概念實質上對這類問題的解決提供了一個的新思路.風電機組關鍵部件（主軸承、齒輪箱、葉片等）的各種松動、磨損、沖擊、裂紋、碰撞等故障，其故障機理、磨損形式、失效原因等系統描述實際上就是一個可拓模型建立及綜合評價的過程.通過建立風電機組關鍵零部件狀態物元模型，為進一步對風電機組狀態退化機理和規律實現定量化描述及綜合評定奠定了基礎.

根據可拓菱形思維方法，首先建立如下物元R.

根據上述物元，可以建立以下狀態分物元，分別如下：

1.3 物元經典域與節域

式中，Nj為所劃分的各分物元（j＝1，2，3…m）；Ci為不同分物元Nj的特征狀態，即風電機組關鍵部件的故障或失效因素；Vji分別為Nj關于Ci所規定的量值范圍，各特征所取的數值范圍，即經典域〈aji，bji〉.

式中，P為各物元的全體；Ci為不同狀態物元的特征全體；Vpi為P關于Ci所取的量值范圍，Vpi取值范圍應包括Vji的所有范圍.

對于具體要評價描述的物元模型，把收集到的各種信息用物元R0表示，即得到待評物元，待評物元的形式為

1.4 物元評價因素和評定類別關聯度

根據可拓集合的關聯函數距的概念，第i個因素關于待評物元的關聯度由下式計算：

其中有

物元評定類別的關聯度為

其中Kj（p0）為待評物元P0關于第j種類別狀態的關聯度；αi為第i因素的權重系數.權重系數由下式來確定：

由上式求出Kj（P0），如果

則待評物元的狀態類型屬于第j種情況.

2 風力機主軸承脂潤滑磨損狀態辨識實例研究

風電機組關鍵部件的磨損狀態辨識過程實質上是一個綜合評價的過程.目前兆瓦級雙饋風電機組的主軸承普遍采用兩個雙列調心滾子軸承的支持形式，前段浮動端的一個調心滾子軸承只承受徑向載荷.后端固定端的一個調心滾子軸承同時承受軸向和徑向載荷.在大型回轉機械設備中，將近90%的軸承采用潤滑脂潤滑.風電設備的潤滑、摩擦、磨損狀態的重要信息能在所使用的潤滑油品中以各種指標的變化反映回饋出來.同時，由于油品監測數據存在定性與定量數據共存，數據的多層性與相關性、可加性等特點.因此，通過對風電設備在用潤滑油油質狀況、油液中磨損金屬顆粒、污染雜質顆粒、基團、理化性能及元素成分含量的跟蹤監測，獲得有關潤滑狀態與設備摩擦副的潤滑磨損狀態信息，同時結合可拓學的形式化的描述方法對風電機組主軸承進行可拓物元描述是可行的.

統計表明，國內某風場的1.5MW級風力機主軸承的磨損狀況分為正常磨損、腐蝕磨損、疲勞點蝕或剝落、磨粒磨損.見表2.

表1 脂分析常用的分析方法

表2 風電機主軸承磨損狀態特征集

表3為某風電場風力發電機主軸承使用SKF LGEP脂后進行潤滑油脂分析.這里共設置6個評價指標，即Fe元素濃度C1、Cr元素濃度C2、Cu元素濃度C3、形狀因子C4、面積／周長比C5、PQ值C6.

表3 某風電場主軸承各項指標監測實例

根據上表建立主軸承狀態物元模型

表4 SKF LGEP潤滑油脂分析狀態標準

根據表4建立經典域物元R0j，這里由于篇幅原因，僅列出R01.節域（物元）Rp要覆蓋經典域的取值范圍，即節域的取值范圍為上表的覆蓋范圍.

結合公式（8）～（13）計算出Kj（P0）的值，結果見表5.

表5 風電機組主軸承狀態關聯度表

權重集合W＝（0.126，0.180，0.220，0.216，0.200，0.058）T.

表6 物元狀態類別判斷表

根據結果可知，Kj0＝maxKj（P0）＝K4（P0）＝0.109 559 6，該風電機組主軸承的磨損狀態處于磨粒磨損階段，并由K0（P0）＝0.011 302知，該狀態屬于由腐蝕磨損狀態發展而來的，此軸承應及時更換，以免發生更大的損傷事故.

3 結 論

應用可拓學進行風電機組關鍵部件的物元化描述可從多角度、多因素來綜合評價其狀態，可以將不同類型信息集成在一個模型中，且所選取的參數的種類和數量均可不受限制.以物元理論和可拓集合理論為基礎的可拓評價方法能將復雜的風電機組特征參數的定性判別轉換為定量的描述，可拓關聯度的引入可以使其評價定量化和精確化，避免人為經驗的影響.

［1］ 王承煦，張 源.風力發電［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［2］ 任清晨.風力發電機組工作原理和技術基礎［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［3］ Martin O L.Hansen.Aerodynamics of Wind Turbines［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［4］ 金 文，陳長征，金志浩，等.燃氣輪發電機組多故障診斷的物元分析方法［J］.中國電機工程學報，2007，27（17）：57－60.

［5］ 趙春華.基于物元模型的滾動軸承故障的可拓診斷方法［J］.潤滑與密封，2006，166（4）：16－19.

［6］ 趙春華.基于可拓模型的滑動磨損狀態的定量描述研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2006，38（z）：286－289.

［7］ 蔡 文.可拓集合和不相容問題［J］.科學探索學報，1983（1）：83－97.

［8］ 閆 輝.基于油液監測技術的設備潤滑磨損狀態的評價研究［D］.廣州：廣東工業大學，2006.

［9］ 蔡 文.物元模型及應用［M］.北京：科學文獻出版社，1994：23－56.

［10］蔡 文，楊春燕，林偉初.可拓工程方法［M］.北京：科學出版社，2000：95－103.