基于機器視覺的風機葉片檢測裝置設計方向

張越

摘要：可再生能源的開發與應用，風能以其資源豐富、分布廣泛以及對環境影響小等特點，在未來一段時間內必然成為世界主要的能源開發方式，各國對風能資源的開發利用也將成為今后的重點。葉片作為風電機組的重要組成部分，在惡劣的自然環境中很容易發生損傷。損壞后的葉片將對風電場造成嚴重的經濟損失，也對風力發電機的安全運行構成了很大的威脅。因此對風機葉片損傷的檢測開發合理的檢測裝置是尤為重要。但目前，各風電企業對葉片的實時檢測裝置設計領域發展不成熟，仍處于裝配前的檢測裝置設計。文章從風機葉片檢測裝置的設計需求入手，在分析風機葉片檢測裝置的發展現狀及潛力基礎上，對風機葉片檢測裝置的設計方向與發展趨勢進行闡述，希望對以后風機葉片檢測裝置的發展提供一些有益的參考和借鑒。

關鍵詞：風力發電機；葉片；檢測裝置；設計方向；發展趨勢

根據對目前所有的能源分析，風能在所有能源開發領域，都屬于清潔無污染類型，符合未來的能源開發方向。因為風能開發利用所具有的種種特點，因此被世界各國廣泛關注。在所有的風能開發利用過程中，風力發電機葉片構成了全部工作的重中之重，風力開發的主要原理是通過高空風力作業，來帶動風力發電機葉片的轉動，再通過能源轉換裝置，將風能轉化為機械能，整個工作流程不產生對環境的污染，而其能否順利完成風能到機械能的轉化，主要取決于風機葉片。且隨著機組容量增大，葉片長度增加，與地面距離變大，發生損傷的概率變大。對風機葉片進行狀態監測和損傷識別研究受到越來越多的學者關注，因此配合風機葉片檢測的裝置設計也有了更多的設計方向。

一、葉片檢測的重要意義

葉片作為整個風力發電機組的重要裝備，對風機能否正常工作，風能是否可以順利轉化為機械能產生了決定性作用，因此風機葉片的檢測工作具有十分重要的意義。從成本角度進行考量，風機葉片也成為了檢測工作的重點內容，風機葉片占據了整個裝置的很大一部分成本，根據我國大多數風力設備生產機構提供的資料進行分析，可以發現大多數風力設備，其葉片成本至少占據了所有成本的1/5。而風機作業需要面臨環境多樣，其中不乏極其惡劣的氣候條件，例如，在風沙較大的地區，葉片受損程度遠比平常地區要嚴重得多，出現故障的情況也比較頻發。及時檢測葉片工作狀態有利于防止出現較大的故障，在葉片出現問題的情況下，可以進行有效的維護，以幫助整個機組的有效工作。

根據風機設備的限制條件，其裝機容量與風機葉片出現故障之間存在正連接，也就是說，風機設備裝機容量越大，葉片也就需要更大的工作面積，由此帶來的葉片故障可能出現的頻率也隨之增加。英國凱斯內斯風電場信息論壇統計出大量的風機設備數據， 因葉片故障未曾及時維護，導致出現整體機組無法繼續工作，引起機組其他關聯設備隨之損壞的情況越發頻繁。如圖1所示。

從圖1中數據可以了解到，葉片故障的發生頻率越發頻繁，這往往是由于風力發電越來越成為趨勢，而技術革新方面相對處于滯后狀態，無法適應各種惡劣的工作環境，再加上相關人員的維護不力，對維護知識體系的學習接受依舊存在問題，等一系列原因導致的。從大量的風機葉片損壞事件中可以看出，加強對設備的維護工作必然在今后成為風力發電工作的重要內容。而由于現階段依舊缺乏相關完善的檢測設備，人工檢測依舊成為風力發電設備故障檢測中的重要組成部分。

二、現階段檢測裝置的設計現狀及困境

（一）檢測裝置的發展現狀

最早的無損檢測技術——人工目視檢測始于20世紀中期，主要依靠工作人員憑借肉眼觀察結構體表面裂紋。由于受到人眼分辨力的限制，長時間觀測過程中人眼會因結構體表面照度、顏色和光照環境的影響產生視覺疲勞以及空間分辨率降低，從而產生遺漏裂紋等錯誤統計現象。同時，由于工作人員的檢測評判標準和主觀經驗不一致，很難形成統一客觀的評判標準。隨后為了提高檢測效率，從而運用了高靈敏度檢測器件，檢測速度相對較快。當前傳統無損檢測技術的學科范疇雖然涉及到社會生產與生活的各個領域與針對各種研究對象，并且各種檢測方法都在適用范圍或領域內具備自己獨特的優點，但是絕大多數檢測方法的實現還是停留在需要滿足相應條件的前提下進行的人為操作或依靠高靈敏度檢測器件輔助完成。

當前我國風力發電機葉片的材質已經由傳統材質逐步向增強復合材料發展，特別是在大中型風力發電機中，新型玻璃鋼材料已經逐漸成為主要的葉片材質。所以，對于風力發電機葉片內部裂縫和殘缺的檢測我們通常使用微波探傷技術。通常采用微波測距和超聲波探測兩種測量技術，這兩種測距方式都是屬于非接觸式的測量技術。但是，在檢測裝置中采用超聲波探測儀更加方便快捷。在對葉片翼型上下兩個表面進行檢測時，裝置在設計上應當采用至少 6 對以上的超聲波探測探頭，以確保能夠達到更加精確的測量結果。超聲波探測技術利用物體內部狀態發生改變時會自動發出瞬態彈性聲波的原理實時監測物體缺陷?？梢詫o線電波、光波等無法穿過的物體進行穿透，同時也可以在具有不同抗性的兩種物質交界面上進行反射。

（二）檢測裝置的發展困境

目前針對葉片的檢測主要設備安裝之前，在設備安裝完成之后，往往由于風機葉片工作環境處于高空，且工作環境十分惡劣，因而對設備的檢測工作往往十分滯后。一旦發生故障，引起風機葉片整體脫落或者部分脫落，都會對其他設備造成危害，而造成的經濟損失是十分巨大的。現階段，由于缺乏完善的檢測設備，需要定期的進行人工檢測，因此，對檢測人員的理論培訓就顯得十分重要。盡管從大量的風機故障事件中，業界已經遭受了沉重的代價，越來越認識到加強設備檢測的重要性，但是尚未形成完整的檢測體系，造成檢測工作的相對滯后。由于以上原因，風機設備的檢測工作十分困難，在排除了檢測工作十分困難的情況下，設備的維護工作也顯得十分重要，及時地排除微小故障，有利于最大化的發揮風機設備的經濟效益，減少維護工作的成本以及時間。

而且發電機的葉片截面、翼型的弦長、厚度等都是變化的，為了能夠精準測量，爬升裝置的整體框架應當設計成為大小可以靈活變動的，這樣當風力發電機的葉片截面發生變化時，爬升裝置能夠隨之發生變化，以此來確保裝置能夠更加接近風力發電機葉片，而葉片檢測探頭能夠更加貼近葉片表面進行檢測，以便能夠更加清晰的觀察葉片表面的情況，從而更好地判斷葉片的情況。

因此面對現在檢測裝置的發展困境，我們需要根據現有技術探索出風機葉片檢測裝置設計的新方向。

三、基于機器視覺的風機葉片檢測裝置設計方向

科學的檢測體系有利于促進維護工作的進展，避免出現重大事故，最大化的發揮風機設備的價值?；跀底謭D像處理和目標識別對風機葉片進行檢測，將成為今后檢測工作的重要研究內容，因其可以最大化的節約人工成本，減少物資消耗而成為風電設備檢測的重要方法。因此對于葉片的合理檢測裝置是保障機組安全可靠運行的重要手段。但目前大部分對風機葉片的檢測裝置設計方向研究都只在實驗室中進行，要用于實際的現場風機葉片檢測裝置，還有許多技術問題需要克服。

通常風力發電機葉片在出廠時都是經過合格檢測的，后續運行和使用中出現的問題大部分都是從葉片表面比較細微的裂紋開始的，所以檢測裝置在對運行狀態下的葉片進行檢測時，主要就是針對葉片表面是否存在細微的裂紋。因此在對檢測裝置進行設計時需要考慮針對該方向進行設計，可以考慮在裝置上安裝高清攝像頭，用于對風力發電機葉片表面細紋裂紋的檢測和發現，特別是對于葉片的葉尖和前緣部分，更是裂紋檢測的重點部位。根據此提出基于機器視覺的風機葉片檢測裝置的設計方向。該檢測裝置的設計方向在檢測過程中，發現葉片表面存在裂紋后，就可以根據裂紋的表象來判斷葉片裂紋是否具有嚴重的危害，以便能夠及時對葉片表面裂紋進行修復，以防止更加嚴重的事故發生，從而影響風機發電機的正常工作，并造成嚴重的經濟損失。

當前風力發電發展速度較快，我國風力發電機組數量更是與日俱增，使得風力發電機葉片在運行過程中出現故障的概率也同等增加。因此，加強對風力發電機葉片檢測裝置的研究具有重要的意義，有利于減少風力發電機葉片故障，降低經濟損失。

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（作者單位：昆明理工大學機電工程學院）