基于物元描述的風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件狀態(tài)評(píng)價(jià)

趙春華 汪 偉 潘鵬程 鐘先友

（三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

風(fēng)能是一種清潔的永續(xù)能源，其利用依賴于風(fēng)電機(jī)組的可靠運(yùn)行［1－2］.風(fēng)電機(jī)組的工作環(huán)境及狀態(tài)較為惡劣.比如水平軸風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在幾十米的高空，機(jī)械傳動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)受到風(fēng)擾動(dòng)的影響，其載荷變化比較復(fù)雜，尤其我國(guó)部分風(fēng)電場(chǎng)處于山區(qū)或丘陵地帶，氣流受地形影響發(fā)生不可預(yù)測(cè)的變化，使得風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期處于復(fù)雜的交變載荷下工作.另外，風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期暴露在風(fēng)沙、雨雪、海洋咸濕、溫度驟變等惡劣環(huán)境下，承受不可預(yù)測(cè)的雷擊、閃電、暴風(fēng)冰霜以及電網(wǎng)損壞造成的額外載荷，即承受瞬態(tài)、頻變疲勞載荷，使得風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱、軸承及葉片等關(guān)鍵部件的受載及摩擦磨損狀況更加復(fù)雜，其狀態(tài)描述過程困難［3］.可拓學(xué)理論采用形式化設(shè)計(jì)同時(shí)考慮解決問題的規(guī)律和方法，其利用物元的可拓性，根據(jù)實(shí)際需要，盡可能地開拓出各種有用信息.例如文獻(xiàn)［4］通過建立物元模型一定程度上解決燃?xì)廨啓C(jī)的多故障診斷問題.文獻(xiàn)［5－6］分別建立了滾動(dòng)軸承和試驗(yàn)機(jī)滑動(dòng)磨損狀態(tài)物元模型，從定量的角度進(jìn)行了可拓綜合評(píng)價(jià).由此可見，可拓物元理論適用于復(fù)雜對(duì)象多源、多因素的矛盾問題的解決.

1 可拓物元理論的風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件描述模型

1.1 可拓物元概論

可拓學(xué)是我國(guó)廣州工業(yè)大學(xué)蔡文教授于1983年創(chuàng)立的一門橫斷學(xué)科，是用形式化的模型研究事物拓展的可能性和開拓創(chuàng)新的規(guī)律和方法，對(duì)事物進(jìn)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(guān)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(zhì)和量之間的關(guān)系.多特征事物及具有相應(yīng)的多量值時(shí)，可以如下表示：

物元在可拓學(xué)中被視為邏輯細(xì)胞，用符號(hào)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(píng)判方法也叫優(yōu)度評(píng)價(jià)方法，這是可拓學(xué)中評(píng)價(jià)一個(gè)對(duì)象，包括事物、策略、方法等的優(yōu)劣的基本方法，其理論建立在可拓集上，利用關(guān)聯(lián)函數(shù)能把對(duì)象數(shù)值化，同時(shí)利用關(guān)聯(lián)函數(shù)值的正域、負(fù)域和零界描述事物從量變到質(zhì)變過程［8］.在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)關(guān)鍵部件系統(tǒng)狀態(tài)辨識(shí)的過程中，需要對(duì)系統(tǒng)的各種狀態(tài)進(jìn)行描述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)描述問題實(shí)質(zhì)上是對(duì)模式的綜合評(píng)價(jià)問題.利用可拓綜合評(píng)價(jià)方法能很好地描述系統(tǒng)所處的狀態(tài)，這種方法不僅能定性地確定系統(tǒng)是否發(fā)生異常，還能對(duì)異常狀況發(fā)生的程度通過關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行定量的描述.

在可拓集合中，引入了關(guān)聯(lián)函數(shù)這一概念，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)可以定量地描述論域U中的元素x具有性質(zhì)p的程度及變化，建立實(shí)軸上的關(guān)聯(lián)函數(shù)［9］.首先把實(shí)變函數(shù)中距離的概念拓展為距的概念，作為把定性描述擴(kuò)大為定量描述的基礎(chǔ)，規(guī)定實(shí)軸上點(diǎn)x0與區(qū)間X0＝〈a，b〉之距為

點(diǎn)與區(qū)間的距離d（x0，X0）與距ρ（x0，X0）的關(guān)系為

在距的基礎(chǔ)上建立關(guān)聯(lián)函數(shù)把“具有某性質(zhì)P”的事物從定性描述拓展到“具有某性質(zhì)P”的定量描述，并建立了初等關(guān)聯(lián)函數(shù)［10］.

1.2 風(fēng)電機(jī)關(guān)鍵部件多源物元模型建立

對(duì)于復(fù)雜對(duì)象因狀態(tài)退化引起的多源多故障識(shí)別的研究，可拓理論中的多維物元的概念實(shí)質(zhì)上對(duì)這類問題的解決提供了一個(gè)的新思路.風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件（主軸承、齒輪箱、葉片等）的各種松動(dòng)、磨損、沖擊、裂紋、碰撞等故障，其故障機(jī)理、磨損形式、失效原因等系統(tǒng)描述實(shí)際上就是一個(gè)可拓模型建立及綜合評(píng)價(jià)的過程.通過建立風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵零部件狀態(tài)物元模型，為進(jìn)一步對(duì)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)退化機(jī)理和規(guī)律實(shí)現(xiàn)定量化描述及綜合評(píng)定奠定了基礎(chǔ).

根據(jù)可拓菱形思維方法，首先建立如下物元R.

根據(jù)上述物元，可以建立以下狀態(tài)分物元，分別如下：

1.3 物元經(jīng)典域與節(jié)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(tài)，即風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的故障或失效因素；Vji分別為Nj關(guān)于Ci所規(guī)定的量值范圍，各特征所取的數(shù)值范圍，即經(jīng)典域〈aji，bji〉.

式中，P為各物元的全體；Ci為不同狀態(tài)物元的特征全體；Vpi為P關(guān)于Ci所取的量值范圍，Vpi取值范圍應(yīng)包括Vji的所有范圍.

對(duì)于具體要評(píng)價(jià)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(píng)物元，待評(píng)物元的形式為

1.4 物元評(píng)價(jià)因素和評(píng)定類別關(guān)聯(lián)度

根據(jù)可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)距的概念，第i個(gè)因素關(guān)于待評(píng)物元的關(guān)聯(lián)度由下式計(jì)算：

其中有

物元評(píng)定類別的關(guān)聯(lián)度為

其中Kj（p0）為待評(píng)物元P0關(guān)于第j種類別狀態(tài)的關(guān)聯(lián)度；αi為第i因素的權(quán)重系數(shù).權(quán)重系數(shù)由下式來確定：

由上式求出Kj（P0），如果

則待評(píng)物元的狀態(tài)類型屬于第j種情況.

2 風(fēng)力機(jī)主軸承脂潤(rùn)滑磨損狀態(tài)辨識(shí)實(shí)例研究

風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的磨損狀態(tài)辨識(shí)過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)綜合評(píng)價(jià)的過程.目前兆瓦級(jí)雙饋風(fēng)電機(jī)組的主軸承普遍采用兩個(gè)雙列調(diào)心滾子軸承的支持形式，前段浮動(dòng)端的一個(gè)調(diào)心滾子軸承只承受徑向載荷.后端固定端的一個(gè)調(diào)心滾子軸承同時(shí)承受軸向和徑向載荷.在大型回轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中，將近90%的軸承采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑.風(fēng)電設(shè)備的潤(rùn)滑、摩擦、磨損狀態(tài)的重要信息能在所使用的潤(rùn)滑油品中以各種指標(biāo)的變化反映回饋出來.同時(shí)，由于油品監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在定性與定量數(shù)據(jù)共存，數(shù)據(jù)的多層性與相關(guān)性、可加性等特點(diǎn).因此，通過對(duì)風(fēng)電設(shè)備在用潤(rùn)滑油油質(zhì)狀況、油液中磨損金屬顆粒、污染雜質(zhì)顆粒、基團(tuán)、理化性能及元素成分含量的跟蹤監(jiān)測(cè)，獲得有關(guān)潤(rùn)滑狀態(tài)與設(shè)備摩擦副的潤(rùn)滑磨損狀態(tài)信息，同時(shí)結(jié)合可拓學(xué)的形式化的描述方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組主軸承進(jìn)行可拓物元描述是可行的.

統(tǒng)計(jì)表明，國(guó)內(nèi)某風(fēng)場(chǎng)的1.5MW級(jí)風(fēng)力機(jī)主軸承的磨損狀況分為正常磨損、腐蝕磨損、疲勞點(diǎn)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(fēng)電機(jī)主軸承磨損狀態(tài)特征集

表3為某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸承使用SKF LGEP脂后進(jìn)行潤(rùn)滑油脂分析.這里共設(shè)置6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(zhǎng)比C5、PQ值C6.

表3 某風(fēng)電場(chǎng)主軸承各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)實(shí)例

根據(jù)上表建立主軸承狀態(tài)物元模型

表4 SKF LGEP潤(rùn)滑油脂分析狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)

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

結(jié)合公式（8）～（13）計(jì)算出Kj（P0）的值，結(jié)果見表5.

表5 風(fēng)電機(jī)組主軸承狀態(tài)關(guān)聯(lián)度表

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

表6 物元狀態(tài)類別判斷表

根據(jù)結(jié)果可知，Kj0＝maxKj（P0）＝K4（P0）＝0.109 559 6，該風(fēng)電機(jī)組主軸承的磨損狀態(tài)處于磨粒磨損階段，并由K0（P0）＝0.011 302知，該狀態(tài)屬于由腐蝕磨損狀態(tài)發(fā)展而來的，此軸承應(yīng)及時(shí)更換，以免發(fā)生更大的損傷事故.

3 結(jié) 論

應(yīng)用可拓學(xué)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件的物元化描述可從多角度、多因素來綜合評(píng)價(jià)其狀態(tài)，可以將不同類型信息集成在一個(gè)模型中，且所選取的參數(shù)的種類和數(shù)量均可不受限制.以物元理論和可拓集合理論為基礎(chǔ)的可拓評(píng)價(jià)方法能將復(fù)雜的風(fēng)電機(jī)組特征參數(shù)的定性判別轉(zhuǎn)換為定量的描述，可拓關(guān)聯(lián)度的引入可以使其評(píng)價(jià)定量化和精確化，避免人為經(jīng)驗(yàn)的影響.

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