一種機械塔架故障診斷技術的制作方法

文檔序號：5834515閱讀：287來源：國知局

專利名稱：一種機械塔架故障診斷技術的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機械塔架故障診斷技術，屬于機械故障檢測與診斷技術的范疇，主要用于以振動檢測分析技術在線檢測、診斷機械塔架和線纜，如輸電線路的電塔和電纜、無線通信的中繼塔、風力發電的塔架、石化設備的反應塔、冶金設備的高爐以及高層建筑等的故障。技術背景現有建筑、工業、電力設施中經常使用塔架結構。多數塔架沒有故障檢測裝置，而是采用自信是充分保守的設計規范來保障安全。甚至某些影響巨大的高塔設備如冶金高爐也沒有專用的安全檢測裝置。以致不僅時有意外事故發生，如風力發電機因運轉共振損毀，電塔、電纜塔因為電纜線冰凍和風雪襲擊而倒塌，更何況由于缺乏對于這些設施與環境關系的認知手段，以致很難提出中肯的設計要求與改進意見。因此，為保障上述機械塔架系統的安全運行和實現對其與環境條件相互關系的認知作為設計創新的依據，需要發明機械塔架故障診斷技術。發明內容本發明的目的旨在提出一種機械塔架故障診斷技術，通過對運行狀態下的塔架的相關物理量的監測，確認運行塔架的使用狀態的安全與否；以便使用者采取安保措施。這種機械塔架振動故障診斷技術，其特征在于含有包括振動或/和穩態加速度檢測傳感器以及受力方向檢測傳感器的傳感器組1、采集傳感器組信號和對傳感器組的信號進行分析診斷的故障信息處理器2，把傳感器組1檢測的信號通過電纜傳輸給故障信息處理器2，并由故障信息處理器2所含硬件采集信號后經所含的相應軟件進行分析診斷及處理。傳感器組1含有安裝在塔架上層、按照東南西北地理坐標設置，使敏感塔架整體在南北方向振動的加速度傳感器N1與東西方向振動的加速度傳感器E1，以及使敏感塔架繞其對稱中心O顯現扭轉振動的加速度傳感器N2、 E2和檢測外作用Y方向相對塔架東西方向并以東方為參考之極坐標的傳感器J;敏感東西、南北橫向振動的傳感器E1、 Nl和敏感扭轉振動傳感器E2、 N2與塔架對稱中心0等距離安裝；敏感南北振動的傳感器N1的敏感軸指向北方N，敏感東西方向振動的傳感器E1的敏感軸指向東方E;敏感南北振動的傳感器N1與敏感扭轉振動的傳感器N2安裝在同一位置，敏感東西振動的傳感器E1與敏感扭轉振動的傳感器E2安裝在同一位置;并且敏感扭轉振動的傳感器E2的敏感軸指向傳感器安裝位置相對塔架對稱中心之距離為半徑R的圓的反時針切線方向，敏感扭轉振動的傳感器N2的敏感軸則指向傳感器安裝位置相對塔架對稱中心之距離為半徑R的圓的順時針切線方向。
所述故障信息處理器2含有AD接口電路21 ，還含有由微處理器運行的分析診斷系統 22;各傳感器輸出的加速度信號N1、 N2、 El、 E2、及受力方向角的信號J分別接到故障信息處理器2的AD接口電路21的對應輸入端N1、 N2、 El、 E2、 J，并對AD接口輸出的信號N1、 N2、 El、 E2、 J由故障信息處理器的分析診斷系統22中的軟件按照公式
NZ=[(N2-E1)- (E2-N1) ]/2 (1)
計算塔架相對于其對稱中心0的扭振信號；
按照公式nl=Nl+E2+NZ (2)和公式el=El+N2-NZ (3)
計算塔架整體真實的橫向振動；按照公式y:el conj+nl sinj (4) 計算塔架橫向振動在受力方向Y軸的振動分量；按照公式Pwl sinj+nl conj (5)
計算塔架橫向振動在Y軸的正交方向X軸(與Y垂直向右)的振動分量；并且根據傳感器(Nl、 N2)的信息及計算式F:tg—、Nl/N2) (6-1)、根據傳感器(El、 E2)的信息及計算式F二 tg—'(E2/E1) (6-2) 計算獲取塔架的傾斜的主方位角；
根據傳感器(Nl、 N2)的信息及計算式(^sirf'((2NlN2sin2FrVg ) (7-1)、根據傳感器E1、 E2的信息及計算式Q^irT'((2ElE2sin2F)"/g ) (7-2)獲得塔架的傾斜的主傾斜角。
所述故障信息處理器2還含有實現相對地理坐標N、E的N軸方向的振動加速度Jnl、 E軸方向的振動加速度Jel以及相對塔架對稱中心的垂直線的扭轉振動加速度JNZ分離的，并將對應的加速度信號JNZ、 Jnl、 Jel運算為振幅的"分離運算器"23;傳感器加速度信號N1、 N2、 El、 E2接到分離運算器23的輸入端N1、 N2、 El、 E2，分離運算器輸出的振幅信號NZ、 nl、 el接到故障信息處理器的AD接口對應的NZ、 nl、 el信號輸入端；AD接口電路21將采集得到的信息N1、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ送到分析診斷系統22進行故障診斷。
所述分離運算器23含有按照計算式NZ呵(N2-E1) - (E2-N1) ]/2計算扭轉振動的運算器31、按照計算式nl=Nl+E2+NZ計算N方向振動的運算器32，按照計算式 el=El+N2-NZ計算E方向振動的運算器33，以及對NZ、 nl、 el對應的加速度振動信號運算為振幅信號的重積分器34、 35、 36; Nl、 N2、 El、 E2傳感器的輸出信號接到按公式 NZ=[ (N2-E1) - (E2-N1) ]/2設計的運算器31的輸入端Nl、 N2、 El、 E2,運算器31 的輸出端JNZ接到重積分器34的輸入端JNZ，重積分器34的輸出端NZ輸出振幅信號 NZ;傳感器Nl、 E2的信號接到按公式nl=Nl+E2+NZ設計的運算器32的輸入端Nl、 E2，
8運算器31的輸出端JNZ接到運算器32的輸入端JNZ，運算器32的輸出端Jnl的輸出信號Jnl接到重積分器35的輸入端Jnl，重積分器35的輸出端nl輸出振幅信號nl;傳感器N2、 El的信號接到按公式e^El+N2-NZ設計的運算器33的輸入端N2、 El，運算器 31的輸出端JNZ接到運算器33的輸入端JNZ，運算器33的輸出端Jel輸出的Jel信號接到重積分器36的輸入端Jel，重積分器36的輸出端el輸出振幅信號el。
按照公式NZ=[(N2-E1)- (E2-N1) ]/2設計的運算器31含有運放OPl-l~OPl-3、電阻器R1 R10，其中電阻器R^R2:2R3， R4=R5=2R6， R7=R8， R9=R10;并且N1信號接到電阻器R1的一端，電阻器R1的另一端接運放0P1-1的負輸入端，N2信號接電阻器R2 的一端，電阻器R2的另一端接運放0P1-1的副輸入端，運放0P1-1的輸出端與負輸入端之間接電阻器R3，運放0P1-1的正輸入端接地，運放0P1-1的輸出為(Nl+N2) /2; El 信號接到電阻器R4的一端，電阻器R4的另一端接運放OPl-2的負輸入端，E2信號接電阻器R5的一端，電阻器R5的另一端接運放OP1-2的負輸入端，運放OP1-2的輸出端與負輸入端之間接電阻器R6，運放OP1-2的正輸入端接地，運放OPl-2的輸出為-(El+E2) /2;運放0P1-1的輸出端將信號-(Nl+N2) /2接到運放OP1-3的負輸入端，運放0P1-3 的負輸入端與輸出端之間接電阻器R8，運放(^1-2的輸出端將-(El+E2) /2信號接到電阻器R9的一端，電阻器R9的另一端接運放OPl-3的正輸入端，運放OPl-3的正輸入端與地之間接電阻器R10，運放OPl-3的輸出為
fW ,駕；
按照公式nl=Nl+E2+NZ設計的運算器32含運放OPl-4、 OP2-4、電阻器R11 R16， Nl信號接電阻器Rll的一端，電阻器Rll的另一端接運放OP1-4的負輸入端，信號El 接電阻器R12的一端，電阻器R12的另一端接運放OPl-4的另一端，信號JNZ接電阻器 R13的一端，電阻器R13的另一端接運放0Pl-4的負輸入端，運放0P1-4的正輸入端接地，運放0P1-4的負輸入端與輸出端之間接電阻器R14，運放OPl-4的輸出端經過電阻器 R15接運放OP2-4的負輸入端，運放OP2-4的正輸入端接地，運放OP2-4的負輸入端與輸出端之間接電阻器R16，運放OP2-4的輸出即是Jnl=Nl+El+JNZ;
按照公式el=El+N2-NZ設計的運算器33含有運放OP2-l~OP2-3、電阻器R17 R25， El信號接電阻器R17的一端，電阻器R17的另一端接運放0P2-1的負輸入端，信號Nl 接電阻器R18的一端，電阻器R18的另一端接運放0P2-1的負輸入端，運放0P2-1的正輸入端接地，在運放0P2-1的負輸入端與輸出端之間接電阻器R19，運放0P2-1的輸出即是-(E1+N1);信號JNZ接電阻器R20的一端，電阻器R20的另一端接運放OP2-2的負輸入端，運放OP2-2的正輸入端接地，在運放OP2-2的負輸入端與輸出端之間接電阻器 R21，運放OP2-2的輸出即是-JNZ，該-JNZ信號接電阻器R24的一端，電阻器R24的另一端接運放OP2-3的正輸入端，運放OP2-3的正輸入端還經過電阻器R25接地，信號-(E1+N1)接電阻器R22的一端，電阻器R22的另一端接運放OP2-3的負輸入端，運放OP2-3的負輸入端與輸出端之間接電阻器R23，所以，運放OP2-3的輸出信號即是 El+Nl-JNZ=Jel，所有運放運放OPl、 OP2的正電源端接正電源V+，負電源端接負電源 V-。
所述重積分34、 35、 36各由兩級相同的、基于二階雙二次帶通濾波器結構的單積分器級聯組成，其每一級二階雙二次帶通濾波器含有電阻器R1 R6，電容器C1、 C2，運放 OPl OP3，其中第一級的加速度輸入信號JNZ (或Jnl、 Jel)接電阻器Rl，電阻器Rl 的另一端接OP2的負輸入端，運放OP2的負輸入端還經過并聯的電阻器R2、電容器Cl 接其輸出端，運放OP2的正輸入端接地；運放OP2的輸出端經過電阻器R4接運放OP3 的負輸入端，運放OP3的負輸入端與輸出端之間接電阻器R5，運放OP3的正輸入端接地；運放OP3的輸出端經電阻器R6接運放OP1的負輸入端，運放OP1的負輸入端與輸出端之間接電容器C2，運放OP3的正輸入端接地，運放OP3的輸出端還經過電阻器R3接到運放0P1的負輸入端；由運放OP3或運放OP2的輸出端輸出的是同相或反相的準速度信號；第二級積分器的輸入電阻器R1接第一積分器輸出的準速度信號，從運放OP3或運放 OP2的輸出端輸出同相或反相的振幅輸出信號NZ (或nl、 el);電路中電阻器R4:R5可以是任意合適的電阻值，電容器OC2，所有運放的正電源端接正電源V+，所有運放的負電源端接負電源V-;每一級二階雙二次帶通濾波器結構的單積分器的諧振頻率F0為所需積分運算的下限頻率FT的1/3~1/5，最佳取值為1/4，積分器對于FT以上頻率的信號的傳輸系數原則上為每倍頻程衰減6.02dB。
用示波器部分取代故障信息處理器，把分離運算器23輸出的表征塔架東西方向振動的信號el或E1接到示波器的X軸，X軸代表東方；把分離運算器23輸出的表征塔架南北方向振動的信號nl或Nl接到示波器的Y軸，Y軸代表北方；則在塔架發生振動時，示波器實時繪制塔架塔心的運動振幅或準加速度軌跡。
當使用故障信息處理器實時釆集Nl、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ,用分析診斷系統22不僅實時繪制塔心軌跡，還繪制塔體扭振軌跡，其特征還在于還通過對于nl、 el、 yl、 xl、 Q信號的逐時間段的FFT分析，不僅識別風輪不平衡引起的強迫振動分量的幅度，還識別由于陣風等隨機因素激發的塔架的廣義共振頻率，從而識別塔架系統的固有頻率的漂移，進而實現對塔架潛在剛度下降等隱患的診斷，還實時修正原本以為固定不變的固有頻率數據，為防止等于轉速頻率的不平衡振動以及等于轉速3倍頻率的葉片通過頻率振動等于變化了的固有頻率合拍共振提供了控制根據。
對于風力發電機檢測分離的振動信號nl、 el、 y、 p、 NZ的故障診斷報警限制值按照
下述方法
設傳感器安裝位置距地面的高度為h[m]，傳感器距離塔架的旋轉中心或對稱中心的半徑為R[m]，轉速頻率為F0，
則在時間Tl=10/F0內所述橫向振動nl、 el、 y、 p的每次振動幅度峰值超過限制值
10XH《5hk/5(^0.01hk[m]則報警；k為無量綱修正系數，取值范圍0.5~2;最佳為k-l。
則在時間Tl-10/F0內所述扭轉振動NZ的每次扭振幅度峰值超過限制值:XN二0.1hRu/ (50*1.5) i.0013hRu[m]則報警。u為修正系數，量綱[l/m]，取值范圍0.5~2;最佳為u^。
主傾角的穩定值(l分鐘平均值)超過限制值
XQ=10hv/50=0.2hv [。]則報警。v為修正系數，量綱[。/m]，取值范圍0.5~2，最佳為v=l。
診斷軟件根據分離的主方向角F和主傾斜角Q的穩定分量識別塔架穩態基礎的傾向性松動或塔身剛度的變異；根據主傾斜角Q的交變分量，或/和根據所述橫向振動的nl、 el的交變分量，進行譜分析，識別塔架的橫向固有頻率、并據該固有頻率的漂移以及振動的非線性特征識別塔架的疲勞及連接件的間隙性局部松動等故障。
原則上，根據N、 E兩組傳感器測定結果和式(6-2)、 (6-2)以及式(7-1)、 (7-2)計算的方位角F和主傾斜角Q的穩定分量相差甚遠，則判斷其中一個傳感器有如安裝松動或者失效故障，藉以對檢測傳感器的自身故障實現自我診斷；并根據N1、 E2和N2、 El 傳感器直接輸出的穩定加速度信號分量計算的塔架南北、東西方向的傾斜之是否基本相等和是否超出了塔架最大可能傾斜的范圍而識別傳感器的故障；識別固定的塔架的振動el、 nl與塔架上安裝的可以繞塔架對稱中心旋轉的載體主軸或者受力方向的以及與該方向正交的方向的振動分量y、 p，識別受力方向或載體主軸方向的振動因素，如風力發電機的高低空或/和左右風速差異引起的、葉輪不平衡引起的、葉片通過塔架前方氣動激振引起的振動和扭振，進行全面的故障診斷。
通過傳感器組1獲取的輸電塔的輸電線振動傳遞到電塔的信號的FFT分析，識別電纜受風摩擦產生的廣義共振頻率的變化，診斷電纜負重時張力的變化、電纜拉伸、電纜斷裂、
電纜出現新支點等故障。
根據以上技術方案提出的這種機械塔架故障診斷技術，由于采用多組設于特定位置的加速度傳感器監控運行狀態下的塔架動態狀況，因此不僅能掌握塔架沿地理坐標方向的塔架所受的振動位移，而且還能有效地監測由于環境因素引起的扭轉振動和塔體自身地基等因素引起的變化所帶來的眾多影響。同時又針對上述變化因素通過與加速度傳感器配套的故障信息處理器，在保證塔架正常工作的范圍內及時報警。這對于保證塔架的使用安全和提高使用壽命提供了技術支持。

圖1-1為機械塔架故障診斷裝置原理框圖；圖1-2為機械塔架故障診斷裝置結構示意圖；圖1-3為傳感器組安裝位置示意圖；圖2-l、 2-2為主傾角合成的反演分析圖3為含分離運算器的機械塔架故障診斷裝置結構示意圖；圖4為分離運算電路框圖5-廣5-3為分離運算電路31 33的具體電路方案；圖6為振動加速度(量綱m/s2)信號運算為振動振幅(量綱m)的電路圖；圖7為重積分器對0. 5Hz加速度準確積分輸出振幅信號的仿真示意圖8為重積分器傳輸特性測試圖9-1 9-8為用差動電位計測量風力發電機受力方向(主軸方向)相對于東方的極坐標J示意圖lo-no-3為風力發電機主軸指向北方時，發生各種振動情況的塔心軌跡圖圖11為扭振軌跡圖12-廣12-2為0. 15Hz強迫振動分量與塔架0. 396Hz的固有頻率廣義共振的信息對應示意圖13-1 13-8為一個從啟動到定速運轉過程，系統出的共振和陣風激勵的廣義共振的對應圖。
具體實施例方式
實施例1:
這種機械塔架故障診斷技術，含有傳感器組l，故障信息處理器2，傳感器組l含有
安裝在塔架上層，按照地理坐標(東南西北)敏感塔架整體南北方向振動的傳感器Nl和東西方向振動的傳感器E1，和敏感塔架繞其對稱中心0扭轉振動的傳感器N2、 E2，還含有檢測外作用Y方向相對塔架東西方向并以東方為參考之極坐標傳感器J;故障信息處理器2含有AD接口電路21和分析診斷系統(軟件)22;傳感器輸出加速度信號Nl、 N2、 El、 E2、及受力方向角的信號J分別接到故障信息處理器2的AD接口電路21的輸入端 Nl、 N2、 El、 E2、 J，由故障信息處理器的分析診斷系統22的軟件按照下述公式計算所需的
則塔架相對于全對稱中心0的扭振信號
NZ=[(N2-El)- (E2-Nl) ]/2， (1)順時鐘方向為正。
塔架整體真實的橫向振動
nl=Nl+E2+NZ， (2) el=El+N2-NZ， (3)
塔架橫向振動在受力方向Y軸的振動分量 y=el conj+nl sinj ， (4)
塔架橫向振動在Y軸的正交方向X軸(與Y垂直向右)的振動分量
P=el sinj+nl conj ， (5)
塔架的傾斜的主方位角.-
根據傳感器N1、 N2的信息:F= tg—'(Nl/N2) (6-1)根據傳感器E1、 E2的信息F= tg—'(E2/E1) (6-2)
塔架的傾斜的主傾斜角
根據傳感器N1、 N2的信息:Q=sin-乂(2隱sin2F)。Vg ) (7-1) 根據傳感器E1、 E2的信息:Q=sin—、(2ElE2sin2F)。Vg ) (7-2)
其特征在于還含有實現相對地理坐標N、 E的N軸方向的振動加速度Jnl、 E軸方向的振動Jel以及相對塔架對稱中心的垂直線的扭轉振動JNZ分離的，并將對應的加速度信號 JNZ、 Jnl、 Jel運算為振幅的"分離運算器"23，傳感器信號N1、 N2、 El、 E2接到分離運算器23的輸入端N1、 N2、 El、 E2，分離運算器23輸出的振幅信號NZ、 nl、 el接到故障信息處理器的AD接口對應的NZ、 nl、 el信號輸入端。
為了簡化故障信息處理器實時計算的工作量和機時矛盾，應當盡可能把部分運算用專用硬件實現，其特征還在于傳感器的輸出信號N1、 N2、 El、 E2還接到分離運算器23的輸入端N1、 N2、 El、 E2，分離運算器23分離后的信號nl、 el、 NZ分別接到故障信息處理器2的AD接口電路21的輸入端nl、 el、 NZ， AD接口電路21將采集得到的信息Nl、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ送到分析診斷系統22進行故障診斷，(見附圖3)。
附圖4為一種可用于風力發電機塔架橫向振動與扭轉振動測量的分離運算電路框圖，由于塔架振動含有許多隨機發生的甚低頻振動，而且每一次振動可能都有別于其他次振動，不能沿用對于高速旋轉機械振動信號處理的、對許多次振動信號進行統計的方法來處理，而需要針對幾乎每一瞬時的振動信息作立即決策；為了提高運算的實時性，減小故障信息處理器因上述原因需要對AD采樣數據流進行實時運算的工作量、機時開銷和防止因此而影響數據處理的實時性。特別設計的分離運算電路3。其中分離運算器23含有扭轉振動NZ:[(N2-E1)- (E2-N1) ]/2運算器31, N方向振動nl=Nl+E2+NZ運算器32， E方向振動e^El+N2-NZ運算器33，以及對NZ、 nl、 el對應的加速度振動信號運算為振幅信號的重積分器34、 35、 36; Nl、 N2、 El、 E2傳感器的輸出信號接到NZ=[(N2-El) - (E2-Nl) ]/2 運算器31的輸入端Nl、 N2、 El、 E2， 31的輸出端JNZ接到重積分器34的輸入端JNZ， 34的輸出端NZ輸出振幅信號NZ;傳感器Nl、 E2的信號接到nl=Nl+E2+NZ運算器32的輸入端Nl、 E2，運算器31的輸出端JNZ接到32的輸入端JNZ， 32的輸出端Jnl的輸出信號Jnl接到重積分器35的輸入端Jnl， 35的輸出端nl輸出振幅信號nl;傳感器N2、 El 的信號接到el=El+N2-NZ運算器33的輸入端N2、 El，運算器31的輸出端JNZ接到33的輸入端JNZ， 33的輸出端Jel輸出的Jel信號接到重積分器36的輸入端Jel， 36的輸出端el輸出振幅信號el，(見附圖4)。
分離運算電路31~33的具體電路方案，旨在實現NZ=[(N2-E1)_ (E2-N1) ]/2， nl=Nl+E2+NZ， el=El+N2_NZ等運算。其特征在于，NZ=[(N2-El)- (E2-Nl) ]/2運算電路含有運放0Pl-廣0Pl-3、電阻器R1 R10，其中R1:R2:2R3， R4=R5=2R6, R7=R8， R9=R10，
13特別是Nl信號接到Rl的一端Rl的另一端接0P1-1的負輸入端，N2信號接R2的一端， R2的另一端接0P1-1的副輸入端，0P1-1的輸出端與負輸入端之間接電阻R3， 0P1-1的正輸入端接地，0P1-1的輸出為-(Nl+N2)/2; E1信號接到R4的一端R4的另一端接0P1-2的負輸入端，E2信號接R5的一端，R5的另一端接0P1-2的負輸入端，0P1-2的輸出端與負輸入端之間接電阻R6， 0P1-2的正輸入端接地，0P1-2的輸出為-(El+E2)/2; OP1-1的輸出端將信號-(Nl+N2)/2接到0P1-3的負輸入端，0P1-3的負輸入端與輸出端之間接電阻 R8， 0P1-2的輸出端將-(El+E2)/2信號接到電阻R9的一端，R9的另一端接0P1-3的正輸入端，0P1-3的正輸入端與地之間接電阻R10， 0P1-3的輸出為 (Nl+N2)/2-(El+E2)/2=[ (N2-E2)- (E2-N1)]/2=JNZ;
nl=Nl+E2+NZ運算器32含0Pl-4、 0P2-4、電阻器R1廣R16， N1信號接電阻R11的一端，Rll的另一端接0P1-4的負輸入端，信號El接電阻R12的一端，R12的另一端接0P1-4 的另一端，信號JNZ接電阻R13的一端，R13的另一端接0Pl-4的負輸入端，0P1-4的正輸入端接地，0P1-4的負輸入端與輸出端之間接電阻R14， 0P1-4的輸出端經過電阻R15 接0P2-4的負輸入端，0P2-4的正輸入端接地，0P2-4的負輸入端與輸出端之間接電阻R16， 0P2-4的輸出即是Jnl=Nl+El+JNZ;
el=El+N2_NZ運算器33含有0P2-廣0P2-3、電阻器R17 R25， El信號接電阻R17的一端，R17的另一端接0P2-1的負輸入端，信號Nl接電阻R18的一端，R18的另一端接 0P2-1的負輸入端，0P2-1的正輸入端接地，在0P2-1的負輸入端與輸出端之間接電阻R19， 0P2-1的輸出即是-(El+Nl);信號JNZ接電阻R20的一端，R20的另一端接0P2-2的負輸入端，0P2-2的正輸入端接地，在0P2-2的負輸入端與輸出端之間接電阻R21, 0P2-2的輸出即是-JNZ，該-JNZ信號接電阻R24的一端，R24的另一端接0P2-3的正輸入端，0P2-2-3 的正輸入端還經過電阻R25接地，信號-(El+Nl)接電阻R22的一端，R22的另一端接0P2-3 的負輸入端，0P2-3的負輸入端與輸出端之間接電阻R23，所以，0P2-3的輸出信號即是 E1+N1-JNZ-Jel，所有運放0P1、 0P2的正電源端接正電源V+，負電源端接負電源V-，(見附圖5-1~5_3)。
振動加速度(量綱m/s2)信號運算為振動振幅(量綱m)的電路，其特征在于相同的重積分器34、 35、 36各由兩級相同的、基于二階雙二次帶通濾波器結構的單積分器級聯組成，其每一級二階雙二次帶通濾波器含有電阻器R廣R6，電容器Cl、 C2，運放 0P1 0P3，第一級的加速度輸入信號JNZ (或Jnl、 Jel)接電阻R1， R1的另一端接0P2的負輸入端，0P2的負輸入端還經過并聯的電阻R2、電容Cl接其輸出端，0P2的正輸入端接地；0P2的輸出端經過電阻R4接0P3的負輸入端，0P3的負輸入端與輸出端之間接電阻 R5， 0P3的正輸入端接地；0P3的輸出端經電阻R6接0P1的負輸入端，0P1的負輸入端與輸出端之間接電容C2， 0P3的正輸入端接地，0P3的輸出端還經過電阻R3接到0P1的負輸入端；由0P3或0P2的輸出端輸出的是同相或反相的準速度信號；第二級積分器的輸入電阻Rl接第一積分器輸出的準速度信號，從0P3或0P2的輸出端輸出同相或反相的振幅輸出信號NZ (或nl、 el);電路中R4:R5可以是任意合適的電阻值，C1=C2，所有運放的正電源端接正電源V+，所有運放的負電源端接負電源V-;每一級二階雙二次帶通濾波器結構的單積分器的諧振頻率F0為所需積分運算的下限頻率FT的1/3 1/5，例如1/4，積分器對于FT以上頻率的信號的傳輸系數原則上為每倍頻程衰減6.02dB (見附圖6、 7、 8)
本重積分電路具有抗拒加速度信號中的直流分量以及超低頻噪聲的優點，特別是具有低頻重積分精度高的優點。基于運動學，加速度信號a:Asin(2:if)t對應的振動幅度x，是a的重積分
x= / / a dtdt= / / Asin(2 n f)t dtdt=—Asin(2 n f)t/(2 n f)2 對于正弦振動，則幅度計算簡化為 X= A /(2nf)2
設正弦加速度的頻率f^.5Hz，加速度峰值A4g,加速度信號靈敏度為SA=2V/g，由于lg=9810mm/s2，所以有振幅4g/(2 n f)2=994mm。設計振幅的靈敏度SX=5V/m，則有振幅輸出=4. 97V。圖7是重積器對0. 5Hz振動加速度準確積分輸出振幅信號的仿真圖。
重積分器的函數X: A /(2nf)2對應的每倍頻程傳輸比是 E= [A /(2Ji2f)2]/ A /(2:if)2=l/4 傳輸比的級差是EdB=201ogE=-12. 0412
圖8的傳輸特性測試圖證明該重積分器有良好的重積分頻率響應。
為了實現風力發電機的指向風力方向的主軸相對于東方的極坐標角J，用一個能夠轉動10圈的線性"測量"電位計PI與一個"平衡"電位計P2差動工作，如附圖9-l~9-8， Jl電位計用支撐在塔架上的支架固定，電位計的軸與風力發電機底座的、通過塔架中線的位置固定(為防止對中不良，可以使用柔性軸)，Jl、 J2電位計的兩端并聯，接到10V 電源，電位計J1、 J2的活動臂之間輸出轉角信號；安裝時，Jl電位計的軸旋轉到1/2，即5圈，因為底座相對塔筒的單向轉角最大2.7圈，故絕不會有電位計轉過頭而損壞的可能性；然后在風機主軸軸指向東方時，調節平衡電位計J2，使J1、 J2的差動輸出為零；則在底座相對塔筒每轉動一周時，兩個電位計相對轉動為1圈；因電位計供給10V直流電壓，則每轉動一周，即360度，差動輸出電壓為1V。附圖9-廣9-8分析了測量電位計正轉2. 7圈和反轉2. 7圈的差動輸出數據，表明該差動輸出數據VM1相對于轉角J的函數是:
VMl=J°/360° [V]，單位是伏特(V)， J=VMl/360 [。]。
實施例2，一種把故障信息處理器2或者其中的AD接口電路21及分析診斷系統22
15簡化為示波器實時直接觀察塔架振幅的塔心軌跡方案。
其特征是用示波器部分取代故障信息處理器，把分離運算器23輸出的表征塔架東西方向振動的信號el或E1接到示波器的X軸，X軸代表東方；把分離運算器23輸出的表征塔架南北方向振動的信號nl或Nl接到示波器的Y軸，Y軸代表北方；則在塔架發生振動時，示波器實時繪制塔架塔心的運動振幅或準加速度軌跡。例如及時顯示了某轉速時葉片通過風力發電機塔架前方的氣動激振力引發塔架共振的危險狀況，(見如附圖 10-廣10-3)。
實施例3，一種塔架故障診斷方法，當使用故障信息處理器實時采集N1、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ，用分析診斷系統(軟件)22不僅實時繪制塔心軌跡如附圖10-1 10-3，
(其中圖10-l表示的是nhl、 bl-B振幅為O. lm并且頻率相同，相位差90度。此時塔心軌跡為一直徑圓。圖10-2表示的是nl=N、 bl=B振幅為0. lm，南北振動頻率為東西振動頻率的3倍，受到3片葉片通過激振時。此時塔心軌跡為一 0. 2m的三扭線。圖10-3表示的是n=N、 bl=B振幅為0. lm，南北振幅頻率為東西振動頻率的3倍，受3片葉片通過激振并共振，幅度為東西振動的10倍，此時塔心軌跡為南北長2m東西長0.2m的三扭線)。還繪制塔體扭振軌跡如附圖11，其特征在于還通過對于nl、 el、 yl、 xl信號的逐時間段的FFT分析，不僅識別風輪不平衡引起的強迫振動分量的幅度，還識別由于陣風等隨機因素激發的塔架的廣義共振頻率，從而識別塔架系統的固有頻率的漂移，進而實現對塔架潛在隱患(剛度下降)的診斷，還實時修正原本以為固定不變的固有頻率數據，為防止等于轉速頻率的不平衡振動以及等于轉速3倍頻率的葉片通過頻率振動等于變化了的固有頻率合拍共振提供了控制根據。
附圖12-1 12-2所示的，是在塔架受到0. 15Hz的轉子不平衡強迫振動時，因為偶然的陣風對塔架的激勵，引起振動波型擾動，被本方法分析得到當時的0. 15Hz強迫振動分量與塔架0. 396Hz的固有頻率廣義共振的信息。圖13-1 13-8則表明一個從啟動到定速運轉過程，系統出現葉片通過塔前激振頻率的共振、葉輪不平衡的共振和丁轉速運轉時遇到陣風激勵的兩次廣義共振，本發明的分析診斷系統22通過截獲不同時段振動信號作FFT 分析，識別了廣義共振頻率約0.4Hz，證明系統一階固有頻率約0.4Hz。
實施例4，對于風力發電機塔架振動報警的限制值。
其特征還在于，對于風力發電機檢測分離的振動信號nl、 el、 y、 p、 NZ的故障診斷報警限制值按照下述方法
設傳感器安裝位置距地面的高度為h[m]，傳感器距離塔架的旋轉中心或對稱中心的半徑為R[m]，轉速頻率為FO，
則在時間T140/F0內所述橫向振動nl、 el、 y、 p的每次振動幅度峰值超過限制值
XH^.5hk/5(^0.01hk[m]則報警；k為無量綱修正系數，取值范圍0. 5~2;例如k=l，則50m高塔筒橫向振幅報警限制值為大于500mra。則在時間Tl=10/F0內所述扭轉振動NZ的每次扭振幅度峰值超過限制值 XN=0, lhRu/ (50*1.5) =0. 0013hRu[m]則報警。u為修正系數，量綱[l/m]，取值范圍 0. 5~2;例如u=l，則50m高半徑1. 5m處塔筒扭振振幅報警限制值為大于lOOmm。
主傾角的穩定值(l分鐘平均值)超過限制值
XQ=10hv/50=0. 2hv [°]則報警。v為修正系數，量綱[。/m]，取值范圍0. 5~2，例如
v=l。
例如50m高塔塔筒傾角報警限制值為大于10 ° 。實施例5，一種輸電塔架冰凍災害識別方法。
本發明用于輸電塔檢測診斷，在輸電塔因為凍雨結冰或電纜結冰而增大了塔體系統負載的質量M時，因為冰雪不能增強塔體的剛度K，根據機械系統固有頻率規律 fO=(K/M)"'7(2 n )，陣風引起的塔體橫向和/或扭轉廣義共振頻率fg (近似于固有頻率fO) 就發生向下變化，例如fg相對原有正常條件下的值下降到90%，則表明塔體負重增加到了 1/0.92=1.235倍，或者剛度下降到了81%;設定塔架負重上限或剛度下限，就可以計算出廣義共振頻率變化的限制值，本檢測裝置發現超值則發出警報，就可以在無人檢査的條件下，及時發現危險，以便及時搶險排故，防止事故發生。
實施例6，輸電線路故障的診斷方法。
本發明對于電塔的輸電電纜故障檢測診斷，其特征在于通過傳感器組1獲取的輸電塔的輸電線振動傳遞到電塔的信號的FFT分析，識別電纜受風摩擦產生的廣義共振頻率的變化，診斷電纜負重時張力的變化、電纜拉伸、電纜斷裂、電纜出現新支點等故障。
在電纜因為凍雨結冰而增大了電纜的張力時，風對于電纜的摩擦引起的電纜廣義共振 (如同琴弓的馬尾摩擦琴弦的共振)頻率ff就可能發生向上的較小變化(如同把琴弦拉得更緊則琴弦被摩擦振動的聲調更高)，也可因為電纜被拉長而發生向下的較小變化(例如演奏時用手指改變琴弦的長度就能改變音調)；在一個三相三線制輸電電塔的支點上兩邊共有6條電纜，傳感器組獲取6條電纜的振動信號；對于傳感器組檢測得到的電纜振動信號作FFT分析，獲取實時的電纜振動頻率漂移，計算電纜的狀況；如果其他5條電纜都均有當時狀況下的廣義共振頻率振動而有一條線的廣義共振頻率振動消失，則該電纜已經拉斷；如果廣義共振振動頻率大幅度增高，則該電纜出現了新的支點，例如有外物傾倒在電纜上；診斷裝置通過無線方式向管理機構報送上述信息，則可以快速確認故障部位(某一電塔)，而無須人工進行全線巡視排査。
在上述技術方案中N1、 N2、 Bl、 B2傳感器可以是歸一化靈敏度的加速度傳感器。
所述的N1、 N2傳感器和B1、 B2傳感器可以是將N1、 N2組合為一體的雙軸傳感器N和將Bl、 B2組合為一體的雙軸傳感器B。例如，本發明人申請的一種同時檢測水平振動和垂直振動與沖擊的復合傳感器專利技術，將其垂直軸指向北方和東方，將其水平軸指向切線方向。
所述的N1、 N2傳感器和B1、 B2傳感器，可以是一種測量頻率可以達到O的變電容加速度傳感器。例如，使用市售的SCA-1000傳感器芯片制造的雙軸傳感器。
本發明的上述公式推導如下
設傳感器N1、 Bl、 N2、 B2的輸出信號分別是N1、 Bl、 N2、 B2，則塔架相對于其對稱中心O的扭振信號的算式為-
NZ=[(N2-B1)- (B2-Nl) ]/2， (1)
順時鐘方向為正。該式考慮了N2和B2傳感器在敏感扭轉振動的同時，還敏感了 (Bl 所敏感的)塔架東西方向的振動和(Nl所敏感的)南北方向的振動，Nl、 Bl傳感器則沒有敏感扭轉振動。
塔架整體真實的橫向振動算式是
nl=Nl+B2+NZ， (2)
bl=Bl+N2-NZ， (3)
用二個傳感器N1、 B2的數據運算獲取nl以提高數據的可靠性，但須剔除B2所敏感的反向的扭振；用二個傳感器N2、 B2的數據運算獲取bl以提高數據的可靠性，但須剔除 N2所敏感的正向的扭振。前人的檢測技術通常只設置一個傳感器組入N1、 N2或者Bl、 B2，并直接以N1或B2的數據表征南北振動、以B1或N2的數據表征東西振動，而又沒有將傳感器組N1、 N2和B1、 B2安裝在塔架的對稱回轉中心，因此檢測結果往往存在錯誤，而失去必要的實用性。
診斷軟件根據真實的nl、 bl的交變分量進行譜分析，識別塔架的橫向固有頻率、并據該固有頻率的漂移以及振動的非線性特征識別塔架的疲勞及連接件的間隙性局部松動
等故障。
在故障信息處理器中運算獲取塔架橫向振動在受力方向Y軸的振動分量的算式是 y=bl conj+nl sinj ， (4)
獲取塔架橫向振動在Y軸的正交方向X軸(與Y垂直向右)的振動分量的算式是 P=bl sinj+nl conj ， (5)
傳統檢測技術由于沒有設置角度傳感器J，所以不能區分固定的塔架的振動bl、 nl 與塔架上安裝的可以繞塔架對稱中心旋轉的載體主軸或者受力方向的以及與該方向正交的方向的振動分量y、 P;由于本發明設置了方向角J檢測傳感器，從而實現了區分固定的塔架的振動bl、 nl與塔架上安裝的可以繞塔架對稱中心旋轉的載體主軸或者受力方向的以及與該方向正交的方向的振動分量y、 p，識別受力方向或載體主軸方向的振動因素，如風力發電機的高低空或/和左右風速差異引起的、葉輪不平衡引起的、葉片通過塔架前
18方氣動激振引起的振動和扭振，實現全面的故障診斷。
設傳感器N的N1軸輸出的直流電壓是N1， N2軸輸出的直流電壓是N2， N2軸向東X， N1軸向北Y，相對于東方的傾斜方向為F，相對于水平面的傾斜角度為Q，則有
若N1軸傾角Q1，則傳感器敏感到的重力加速度分量是Nl=g sinQl，
故可以計算Q1角度Q^sin—'(Nl/g)
若N2軸傾角Q2，則傳感器敏感到的重力加速度分量是N2=g sinQ2，故可以計算Q2角度Q2=sin—、N2/g)
如附圖2，設傳感器所在的以塔心為原點的圓之半徑為R，塔架傾斜的主方位角為F，最大傾角為Q。則可計算得到
主對邊高ZD=RsinQ; Y對邊高:YD=RsinFsinQ， X對邊高:XD=RconFsinQ。
則Y傾角:Ql :sirT'(YD/R):sin—乂sinFsinQ) [1]
則X傾角Q2 :sii^(XD/R):sin—'(conFsinQ) [2]
反演算，由[l]、 [2]式測定的Q1、 Q2計算方向角F和主傾角Q:
SinQl = sinFsinQ [3]
SinQ2 = conFsinQ [4] / [4]得到:sin F/conF=sinQl/sinQ2=tgF 所以有根據傳感器組N1、 N2計算的主方位角 F=tg-l(sinQl/sinQ2) =tg—1 ((Nl/g)/( N2/g)) F=tg_1(Nl/N2) (6-1) * [4]得到sinQl*sinQ2=sin2Q*sinF*conF=0. 5 sin2Q*sin2F SinQ= (2 sinQl*sinQ2/sin2F)°.5= (2*Nl/g*N2/g/sin2F)°'5= (2NlN2sin2F)05/g 所以有根據傳感器組N1、 N2計算的主傾斜角 Q=sin—'((2NlN2sin2F)。Vg ) (7-1) 根據傳感器組Bl、 B2的信息則有塔架的傾斜的主方位角 F= tg-1(B2/Bl) (6-2) 塔架的傾斜的主傾斜角 Q=sin—'((2BlB2sin2F)。7g ) (7-2)
原則上，根據N、 B兩組傳感器測定結果和式(6-2)、 (6-2)以及式(7-1)、 (7-2)計算的結果是相同的。如果計算結果相近，則可以取兩兩式結果的平均值作為結論。診斷軟件根據分離的主方向角F和主傾斜角Q的穩定分量識別塔架穩態基礎的傾向性松動或塔身剛度的變異，根據交變分量進行譜分析識別塔架的橫向固有頻率、并據該固有頻率的漂移以及振動的非線性特征識別塔架的疲勞及連接件的間隙性局部松動等故障。
如果根據兩組傳感器檢測數據計算得到的兩組塔架傾斜方位角F和主傾斜角Q的穩定分量相差甚遠，則可以判斷其中一個傳感器可能有故障，如安裝松動或者失效。還可以根據N1、 B2和N2、 Bl傳感器直接輸出的穩定加速度信號分量計算的塔架南北、東西方向的傾斜之是否基本相等和是否超出了塔架最大可能傾斜的范圍而識別而識別傳感器的故障。藉此可以對檢測傳感器的自身故障實現自我診斷。
所述的檢測外作用Y方向相對塔架東西方向并以東方為參考之極坐標傳感器J可以是直接敏感外力作用方向如風向傳感器，也可以是一種測定己經指向外作用力方向的機械與塔架基座之間夾角的間接敏感外力作用方向的傳感器入轉角傳感器。
權利要求
1、一種機械塔架故障診斷技術，其特征在于含有包括振動或/和穩態加速度檢測傳感器以及受力方向檢測傳感器的傳感器組(1)、采集傳感器組信號和對傳感器組的信號進行分析診斷的故障信息處理器(2)，把傳感器組(1)檢測的信號通過電纜傳輸給故障信息處理器(2)，并故障信息處理器(2)所含硬件采集信號后經其所含相應軟件進行分析診斷及處理。
2、根據權利要求1所述的一種機械塔架故障診斷技術，其特征在于A、傳感器組(1)含有安裝在塔架上層、按照東南西北地理坐標設置，使敏感塔架整體在南北方向振動的加速度傳感器(Nl)與東西方向振動的加速度傳感器(El)，以及使敏感塔架繞其對稱中心O顯現扭轉振動的加速度傳感器(N2、 E2)和檢測外作用Y方向相對塔架東西方向并以東方為參考之極坐標的傳感器(J);敏感東西、南北橫向振動的傳感器(El、 Nl)和敏感扭轉振動傳感器(E2、 N2)與塔架對稱中心O等距離安裝；敏感南北振動的傳感器(Nl)的敏感軸指向北方N，敏感東西方向振動的傳感器(El)的敏感軸指向東方E;敏感南北振動的傳感器(Nl)與敏感扭轉振動的傳感器(N2)安裝在同一位置，敏—感東西振動的傳感器(El)與敏感扭轉振動的傳感器(E2)安裝在同一位置；并且敏感扭轉振動的傳感器(E2)的敏感軸指向傳感器安裝位置相對塔架對稱中心之距離為半徑R的圓的反時針切線方向，敏感扭轉振動的傳感器(N2)的敏感軸則指向傳感器安裝位置相對塔架對稱中心之距離為半徑R的圓的順時針切線方向；B、故障信息處理器(2)含有AD接口電路(21)，還含有由微處理器運行的分析診斷系統(22);各傳感器輸出的加速度信號(Nl、 N2、 El、 E2、)及受力方向角的信號(J) 分別接到故障信息處理器(2)的AD接口電路(21)的對應輸入端(Nl、 N2、 El、 E2、 J)，并對AD接口輸出的加速度信號N1、 N2、 El、 E2、受力方向角的信號J由故障信息處理器的分析診斷系統(22)中的軟件按照公式NZ=[(N2-E1)- (E2-N1) ]/2計算塔架相對于其對稱中心0的扭振信號；按照公式nl=Nl+E2+NZ和公式el=El+N2-NZ計算塔架整體真實的橫向振動按照公式y二el conj+nl sinj計算塔架橫向振動在受力方向Y軸的振動分量；按照公式P-el sinj+nl conj塔架橫向振動在Y軸的正交方向X軸(與Y垂直向右)的振動分量；并且根據傳感器(Nl、 N2)的信息及計算式F- tg—、Nl/N2)、根據傳感器(El、 E2)的信息及計算式F二 tg—'(E2/E1)計算獲取塔架的傾斜的主方位角；根據傳感器(Nl、 N2)的信息及計算式Q=sin-"(2隨sin2F)。Vg )、根據傳感器(El、 E2) 的信息及計算式Q=sin—'((2ElE2sin2F)。'5/g )獲得塔架的傾斜的主傾斜角。
3、根據權利要求1或2或3所述的一種機械塔架故障診斷技術，其特征在于所述故障信息處理器(2)還含有實現相對地理坐標N、 E的N軸方向的振動加速度Jnl、 E軸方向的振動加速度Jel以及相對塔架對稱中心的垂直線的扭轉振動加速度JNZ分離的，并將對應的加速度信號JNZ、 Jnl、 Jel運算為振幅的"分離運算器"(23);傳感器加速度信號(Nl、 N2、 El、 E2)接到分離運算器(23)的輸入端(Nl、 N2、 El、 E2)，分離運算器輸出的振幅信號NZ、 nl、 el接到故障信息處理器的AD接口對應的NZ、 nl、 el信號輸入端；AD接口電路(21)將采集得到的信息(Nl、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ)送到分析診斷系統(22)進行故障診斷。
4、根據權項1或4所述的一種機械塔架故障診斷技術，其特征在于所述分離運算器(23)含有按照計算式NZ=[(N2-E1)- (E2-N1) ]/2計算扭轉振動的運算器(31)、按照計算式nl=Nl+E2+NZ計算N方向振動的運算器(32)，按照計算式el=El+N2-NZ計算E 方向振動的運算器(33)，以及對NZ、 nl、 el對應的加速度振動信號運算為振幅信號的重積分器(34、 35、 36); Nl、 N2、 El、 E2傳感器的輸出信號接到按公式NZ=[(N2-E1)-(E2-N1) ]/2設計的運算器(31)的輸入端(Nl、 N2、 El、 E2)，運算器(31)的輸出端 JNZ接到重積分器(34)的輸入端JNZ，重積分器(34)的輸出端NZ輸出振幅信號NZ; 傳感器(Nl、 E2)的信號接到按公式n^Nl+E2+NZ設計的運算器(32)的輸入端N1、 E2，運算器(31)的輸出端JNZ接到運算器(32)的輸入端JNZ，運算器(32)的輸出端Jnl的輸出信號Jnl接到重積分器(35)的輸入端Jnl，重積分器(35)的輸出端ril輸出泰幅信號nl;傳感器N2、 El的信號接到按公式el=El+N2-NZ設計的運算器(33)的輸入端N2、 El，運算器(31)的輸出端JNZ接到運算器(33)的輸入端JNZ，運算器(33) 的輸出端Jel輸出的Jel信號接到重積分器(36)的輸入端Jel，重積分器(36)的輸出端el輸出振幅信號el。
5、根據權利要求5所述的一種機械塔架故障診斷技術，其特征在于按照公式 NZ呵(N2-El)-(E2-Nl)]/2設計的運算器(31)含有運放(OPl-l OPl-3)、電阻器(R1 R10)，其中電阻器RHR2二2R3， R4=R5=2R6， R7=R8， R9=R10;并且N1信號接到電阻器(Rl) 的一端，電阻器R1的另一端接運放(OP1-1)的負輸入端，N2信號接電阻器(R2)的一端，電阻器(R2)的另一端接運放(OP1-1)的副輸入端，運放(OP1-1)的輸出端與負輸入端之間接電阻器(R3)，運放(0P1-1)的正輸入端接地，運放(0P1-1)的輸出為(N1+N2) /2; El信號接到電阻器(R4)的一端，電阻器(R4)的另一端接運放(OP1-2)的負輸入端，E2信號接電阻器(R5)的一端，電阻器(R5)的另一端接運放(OP1-2)的負輸入端，運放(0P1-2)的輸出端與負輸入端之間接電阻器(R6)，運放(0P1-2)的正輸入端接地，運放(OP1-2)的輸出為-(El+E2) /2;運放(0P1-1)的輸出端將信號-(Nl+N2) /2接到運放(OP1-3)的負輸入端，運放(0P1-3)的負輸入端與輸出端之間接電阻器(R8)，運放(0P1-2)的輸出端將-(El+E2) /2信號接到電阻器(R9)的一端，電阻器(R9)的另一端接運放(OP1-3)的正輸入端，運放(0P1-3)的正輸入端與地之間接電阻器(R10)，運放(OP1-3)的輸出為(7W +iV +￡2 -￡"，墨兩/2=皿；按照公式nl=Nl+E2+NZ設計的運算器(32)含運放(OPl-4、 OP2-4)、電阻器 (R11 R16)， Nl信號接電阻器(R11)的一端，電阻器(R11)的另一端接運放(0P1-4) 的負輸入端，信號E1接電阻器(R12)的一端，電阻器(R12)的另一端接運放(0P1-4) 的另一端，信號JNZ接電阻器(R13)的一端，電阻器(R13)的另一端接運放(OP1-4) 的負輸入端，運放(0P1-4)的正輸入端接地，運放(0P1-4)的負輸入端與輸出端之間接電阻器(R14)，運放(0P1-4)的輸出端經過電阻器(R15)接運放(OP2-4)的負輸入端，運放(OP2-4)的正輸入端接地，運放(OP2-4)的負輸入端與輸出端之間接電阻器(R16), 運放(OP2-4)的輸出即是Jnl=Nl+El+JNZ;按照公式el=El+N2-NZ設計的運算器(33)含有運放(OP2-l OP2-3 )、電阻器 (R17 R25)， El信號接電阻器(R17)的一端，電阻器(R17)的另一端接運放(0P2-1) 的負輸入端，信號N1接電阻器(R18)的一端，電阻器(R18)的另一端接運放(0P2-1) 的負輸入端，運放(0P2-1)的正輸入端接地，在運放(0P2-1)的負輸入端與輸出端之間接電阻器(R19)，運放(0P2-1)的輸出即是-(E1+N1);信號JNZ接電阻器(R20)的一端，電阻器(R20)的另一端接運放(OP2-2)的負輸入端，運放(OP2-2)的正輸入端接地，在運放(OP2-2)的負輸入端與輸出端之間接電阻器(R21)，運放(OP2-2)的輸出即是-JNZ，該-JNZ信號接電阻器(R24)的一端，電阻器(R24)的另一端接運放(OP2-3) 的正輸入端，運放(OP2-3)的正輸入端還經過電阻器(R25)接地，信號-(El+Nl)接電阻器(R22)的一端，電阻器(R22)的另一端接運放(OP2-3)的負輸入端，運放(OP2-3) 的負輸入端與輸出端之間接電阻器(R23)，所以，運放(OP2-3)的輸出信號即是 El+Nl-JNZ=Jel，所有運放運放(0P1、 0P2)的正電源端接正電源V+，負電源端接負電源V-。
6、根據權利要求5所述的一種機械塔架故障診斷技術，其特征在于相同的重積分器(34、 35、 36)各由兩級相同的、基于二階雙二次帶通濾波器結構的單積分器級聯組成，其每一級二階雙二次帶通濾波器含有電阻器(R1 R6)，電容器(C1、C2)，運放(0P1 0P3)，其中第一級的加速度輸入信號JNZ (或Jnl、 Jel)接電阻器(Rl)，電阻器(Rl)的另一端接(0P2)的負輸入端，運放(OP2)的負輸入端還經過并聯的電阻器(R2)、電容器(C1) 接其輸出端，運放(0P2)的正輸入端接地；運放(0P2)的輸出端經過電阻器(R4)接運放(OP3)的負輸入端，運放(OP3)的負輸入端與輸出端之間接電阻器(R5)，運放(OP3) 的正輸入端接地；運放(0P3)的輸出端經電阻器(R6)接0P1的負輸入端，運放(0P1) 的負輸入端與輸出端之間接電容器(C2)，運放(0P3)的正輸入端接地，運放(0P3)的輸出端還經過電阻器(R3)接到運放(0P1)的負輸入端；由運放(0P3)或運放(0P2) 的輸出端輸出的是同相或反相的準速度信號；第二級積分器的輸入電阻器(Rl)接第一積分器輸出的準速度信號，從運放(OP3)或運放(OP2)的輸出端輸出同相或反相的振幅輸出信號NZ(或nl、el);電路中電阻器114=115可以是任意合適的電阻值，電容器C1《2，所有運放的正電源端接正電源V+，所有運放的負電源端接負電源V-;每一級二階雙二次帶通濾波器結構的單積分器的諧振頻率F0為所需積分運算的下限頻率FT的1/3~1/5，最佳取值為1/4，積分器對于FT以上頻率的信號的傳輸系數原則上為每倍頻程衰減6.02dB。
7、根據權利要求1或2~7所述的一種機械塔架故障診斷技術，其特征在于用示波器部分取代故障信息處理器，把分離運算器(23)輸出的表征塔架東西方向振動的信號el 或E1接到示波器的X軸，X軸代表東方；把分離運算器(23)輸出的表征塔架南北方向振動的信號nl或Nl接到示波器的Y軸，Y軸代表北方；則在塔架發生振動時，示波器實時繪制塔架塔心的運動振幅或準加速度軌跡。
8、根據權利要求1或2~7所述的一種機械塔架故障診斷技術，其特征還在于當使用故障信息處理器實時采集Nl、 N2、 El、 E2、 J、 nl、 el、 NZ，用分析診斷系統(22) 不僅實時繪制塔心軌跡，還繪制塔體扭振軌跡，通過對于nl、 el、 yl、 xl、 Q信號的逐時間段的FFT分析，不僅識別風輪不平衡引起的強迫振動分量的幅度，還識別由于陣風等隨機因素激發的塔架的廣義共振頻率，從而識別塔架系統的固有頻率的漂移，進而實現對塔架潛在剛度下降等隱患的診斷，還實時修正原本以為固定不變的固有頻率數據，為防止等于轉速頻率的不平衡振動以及等于轉速3倍頻率的葉片通過頻率振動等于變化了的固有頻率合拍共振提供了控制根據。
9、根據權利要求1或9獲2~7所述的一種機械塔架故障的振動故障診斷技術，其特征在于對于風力發電機檢測分離的振動信號nl、 el、 y、 p、 NZ的故障診斷報警限制值按照下述方法設傳感器安裝位置距地面的高度為h[m]，傳感器距離塔架的旋轉中心或對稱中心的半徑為R[m]，轉速頻率為F0，則在時間Tl=10/F0內所述橫向振動nl、 el、 y、 p的每次振動幅度峰值超過限制值 XH^.5hk/50K).01hk[m]則報警；k為無量綱修正系數，取值范圍0.5~2，最佳取值為K-1;
10.則在時間Tl=10/F0內所述扭轉振動NZ的每次扭振幅度峰值超過限制值:XN-0.1hRu/ (50*1.5) =0.0013hRu[m]則報警；u為修正系數，量綱[l/m]，取值范圍0.5~2;最佳取值為11=1;主傾角的穩定值(l分鐘平均值)超過限制值XQ-10hv/50-0.2hv[。]則報警；v為修正系數，量綱[。/m]，取值范圍0.5~2,最佳取值為v^。
11、根據權利要求1或9或2 7所述的一種機械塔架故障診斷技術，其特征在于診斷軟件根據分離的主方向角F和主傾斜角Q的穩定分量識別塔架穩態基礎的傾向性松動或塔身剛度的變異；根據主傾斜角Q的交變分量，或/和根據所述橫向振動的nl、 el的交變分量，進行譜分析，識別塔架的橫向固有頻率、并據該固有頻率的漂移以及振動的非線性特征識別塔架的疲勞及連接件的間隙性局部松動等故障。
12、根據權利要求1或9或2 7所述的一種機械塔架故障診斷技術，其特征在于原則上，根據N、 E兩組傳感器測定結果和式(6-2)、 (6-2)以及式(7-1)、 (7-2)計算的方位角F和主傾斜角Q的穩定分量相差甚遠，則判斷其中一個傳感器有如安裝松動或者失效故障，藉以對檢測傳感器的自身故障實現自我診斷；并根據傳感器(Nl、 E2)和(N2、 El)直接輸出的穩定加速度信號分量計算的塔架南北、東西方向的傾斜之是否基本相等和是否超出了塔架最大可能傾斜的范圍而識別傳感器的故障；識別固定的塔架的振動el、 nl 與塔架上安裝的可以繞塔架對稱中心旋轉的載體主軸或者受力方向的以及與該方向正交的方向的振動分量y、 p，識別受力方向或載體主軸方向的振動因素，如風力發電機的高低空或/和左右風速差異引起的、葉輪不平衡引起的、葉片通過塔架前方氣動激振引起的振動和扭振，進行全面的故障診斷。
13、根據權利要求1或9或2 7所述的一種機械塔架故障診斷技術，其特征在于通過傳感器組(1)獲取的輸電塔的輸電線振動傳遞到電塔的信號的FFT分析，識別電纜受風摩擦產生的廣義共振頻率的變化，診斷電纜負重時張力的變化、電纜拉伸、電纜斷裂、電纜出現新支點等故障。
全文摘要
一種機械塔架振動故障診斷技術，含有包括振動或/和穩態加速度檢測傳感器以及受力方向檢測傳感器的傳感器組、采集傳感器組信號和對傳感器組的信號進行分析診斷的故障信息處理器，把傳感器組檢測的信號通過電纜傳輸給故障信息處理器，并由故障信息處理器所含硬件采集信號后經所含的相應軟件進行分析診斷及處理。由于采用多組設于特定位置的加速度傳感器監控運行狀態下的塔架動態狀況，因此不僅能掌握塔架沿地理坐標方向的塔架所受的振動位移，而且還能有效地監測由于環境因素引起的扭轉振動和塔體自身地基等因素引起的變化所帶來的眾多影響。同時又針對上述變化因素通過與加速度傳感器配套的故障信息處理器，在保證塔架正常工作的范圍內及時報警。這對于保證塔架的使用安全和提高使用壽命提供了技術支持。
文檔編號G01H1/00GK101545824SQ20081003090
公開日2009年9月30日申請日期2008年3月25日優先權日2008年3月25日
發明者唐德堯申請人:唐德堯

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