Detección de fallas en la caja de engranajes – descarga de software del generador de bitcoin de la revista Wind Systems

La industria eólica ha experimentado una rápida expansión. Como los parques eólicos están envejeciendo, sus operaciones y problemas de mantenimiento están ganando importancia. La industria eólica se ha visto afectada por fallas de turbina eólica componentes tales como cojinetes principales, cajas de engranajes y generadores. La sustitución de componentes fallidos tiene como resultado un alto costo en la producción de energía. Por lo tanto, la investigación en identificación de fallas y monitoreo de condición está garantizada. En este estudio, se ha investigado la detección de fallas en la caja de cambios de la turbina eólica en base a los datos de aceleración de la vibración proporcionados por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). Los métodos de extracción de datos [1, 2] se aplican para identificar las fallas en el dominio del tiempo.

Los datos utilizados en esta investigación provienen de una caja de engranajes dañada de una turbina eólica de prueba. La caja de cambios se volvió a probar en la instalación de prueba del dinamómetro (DTF) en NREL. Para volver a probar la caja de cambios, la góndola completa y el tren de transmisión de la turbina eólica de prueba se instalaron en el DTF. La góndola estaba fijada al piso sin cubo, rotor y cojinete de guiñada. La Figura 1 muestra el diagrama de DTF.

Para investigar la causa raíz del daño de la caja de cambios y realizar la culpa análisis de identificación, datos de vibración necesarios para ser recolectados. Por lo tanto, se montaron 12 acelerómetros en la parte exterior de la caja de engranajes, el generador y el cojinete principal para medir la aceleración de la vibración. Los datos de vibración medidos por los 12 acelerómetros se recogieron a 40 kHz utilizando un sistema de adquisición de datos de alta velocidad. Además de los datos de vibración, se registraron el par correspondiente del eje de baja velocidad y la velocidad del generador. La dirección de la aceleración de la vibración del tren de transmisión se describe como un sistema de coordenadas tridimensional y detectado por acelerómetros. El origen del sistema de coordenadas es la intersección del eje de rotación del portador planetario y el plano que corta el cilindro del brazo de torsión por la mitad a lo largo de su longitud. El eje x describe la aceleración del sistema a lo largo del eje principal del eje y el lado a favor del viento, y el eje y representa la dirección de aceleración de la vibración, que es horizontalmente perpendicular al eje x. El eje z es ortogonal a los ejes xey. La Figura 3 ilustra el sistema de coordenadas de la aceleración de la vibración. Aunque la aceleración de la vibración del sistema está representada por una tridimensional sistema coordinado, los acelerómetros montados solo pueden detectar una o dos direcciones de aceleración. La Tabla 1 presenta las ubicaciones de los acelerómetros, las direcciones medidas de la aceleración de la vibración y las unidades de los datos grabados. La Figura 4 ilustra las ubicaciones de 12 acelerómetros.

Tres casos de prueba son conducidos por NREL. En el caso 1, la velocidad nominal del eje de alta velocidad se establece en 1800 rpm y la potencia eléctrica se establece en 25 por ciento de la potencia nominal. En el caso 2, la velocidad nominal del eje de alta velocidad es la misma que en el caso 1, pero la potencia eléctrica se establece en el 50 por ciento de la potencia nominal. Esto indica que el par en el caso 2 es el doble de la cantidad de par en el caso 1. En el caso 3, la velocidad del generador es de 1200 rpm y el par es del 25 por ciento. La duración de la prueba de todos los casos es la misma, 10 min.

Como la frecuencia de muestreo es alta (es decir, 40 kHz), el número de puntos de datos dentro de una longitud de 10 min es grande. Por lo tanto, la vibración, los datos de tirón de alta frecuencia (40 kHz), se convierten en datos de frecuencia mucho más baja (1/15 Hz) al calcular la media de la sacudida a intervalos de 15 s. La desviación estándar y el valor máximo de los datos jerk en cada intervalo de 15 s también se calculan.

En esta sección, el análisis de agrupamiento [1] se utiliza para investigar los componentes fallidos en la caja de engranajes. Análisis de agrupamiento es un método no supervisado de análisis de datos. Los algoritmos de agrupamiento agrupan las observaciones en grupos mediante la evaluación de similitudes entre los datos observados. La falla del componente se puede identificar al examinar la similitud de patrón de los datos de tirón medidos por los acelerómetros montados en diferentes ubicaciones de la transmisión.

El análisis de agrupamiento tiene como objetivo agrupar los datos de 12 sensores utilizando los datos jerk. La serie temporal de la sacudida descrita en la sección anterior se utiliza en el análisis de agrupamiento. El algoritmo k-means [3] se modifica en este estudio para establecer clusters. En la versión original del algoritmo k-means, el analista debe establecer arbitrariamente el número de clusters, k. En este estudio, se introduce una función de costo de agrupación para evaluar la calidad del clúster con k.

Los resultados del análisis de agrupamiento para los Casos 1 y 2 son los mismos y se ilustran en la Figura 5. Como se muestra allí, los 12 acelerómetros se clasifican en tres clústeres de acuerdo con el algoritmo de k-medias modificado. En el Grupo 1, la mayoría de los sensores detectan la aceleración de la vibración de la etapa de baja velocidad de la caja de engranajes. El cluster 2 contiene datos de dos sensores que monitorean la aceleración del cojinete principal. Los sensores que miden la aceleración de la vibración en la etapa de velocidad intermedia y alta hacen que el Grupo 3. Para analizar más a fondo los datos en los tres grupos, se calcule la distancia euclidiana entre los centroides de los conglomerados. Cuanto menor es la distancia, más similares son los dos grupos. La Figura 6 muestra las distancias del clúster para los Casos 1 y 2, respectivamente.

Dado que el experimento de prueba de la caja de cambios se llevó a cabo para examinar los componentes de falla de la caja de engranajes, la vibración del rodamiento principal se consideró normal en esta investigación. En el caso 1 de la figura 6, la distancia entre los centroides del grupo 1 y el grupo 2 es de 2,31, mientras que la distancia entre los centroides del grupo 3 y el grupo 2 es de 5,72. El Caso 2 demostrado en la Figura 6 presenta un resultado similar. Con base en los resultados de la Figura 6, los componentes detectados por los acelerómetros en el Grupo 3 se consideran fallados principalmente debido a que la distancia entre el Grupo 1 y el Grupo 2 es pequeña. Algunos componentes detectados por los sensores en el Grupo 1 también se consideran como fallidos ya que los datos de vibración de los dos sensores instalados para monitorear el mismo escenario pertenecen a dos grupos diferentes.

En este artículo los datos de aceleración de la vibración de un impedido viento La caja de engranajes de la turbina proporcionada por NREL se analizó para identificar la etapa defectuosa de la caja de engranajes. En el análisis, los datos de aceleración de la vibración se transformaron a la tasa de cambio de aceleración de vibración. El análisis del coeficiente de correlación y el enfoque de agrupamiento k-means modificado se introdujeron para identificar la etapa defectuosa de la caja de cambios. Las etapas sospechosas de falla de la caja de cambios se probaron después de la inspección de la caja de engranajes mediante el desmontaje.

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