RU2821843C1 - Method of determining degree of wear of rolling bearings of main shaft of wind-driven power plant - Google Patents

Abstract

FIELD: electric power industry.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electric power engineering and can be used to determine the degree of wear of rolling bearings of the main shaft of a wind-driven power plant. During the method implementation the variable component of the capacitances of these sensors is measured, if its value exceeds the specified value, then the shaft displacement signal is generated. Capacities are measured relative to the main shaft at points located in pairs on the vertical axis of its symmetry in the immediate vicinity of the bearings on the side of the wind drive and the reduction gear. Further, in each of the pairs of points, the variable component of the capacitance is selected, they are compared to each other, and if their difference exceeds the first predetermined value, then a signal is generated on the maximum permissible degree of wear of one of their bearings, and if their difference exceeds the second preset value, a signal is generated on the need to withdraw the wind-driven power plant from operation.

EFFECT: increased sensitivity and expansion of functional capabilities in case of application of rolling bearings.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для выявления степени износа подшипников качения главного вала ветроэнергетической установки.The invention relates to the field of electric power engineering and can be used to determine the degree of wear of the rolling bearings of the main shaft of a wind power plant.

Известен способ выявления степени износа подшипников качения главного вала ветроэнергетической установки, основанный на измерении его емкости относительно элементов ее конструкции и формировании сигнала о степени их износа (патент RU №2705560 С1, МПК H02K 11/20, H02K 15/16, опубл. 08.11.2019, Бюл. № 31).There is a known method for identifying the degree of wear of the rolling bearings of the main shaft of a wind power plant, based on measuring its capacity relative to its structural elements and generating a signal about the degree of wear (RU patent No. 2705560 C1, IPC H02K 11/20, H02K 15/16, publ. 08.11. 2019, Bulletin No. 31).

Однако устройство по этому способу измеряет постоянную величину емкости измерительных датчиков, расположенных у одного из подшипников главного вала ветроэнергетической установки, при том, что вибрация этого вала относительно корпуса подшипников качения носит хаотичный порядок с амплитудой у каждого из этих подшипника, зависящей от степени его износа. В связи с этим это устройство обладает низкой чувствительностью к степени износа подшипников качения главного вала ветроэнергетической установки и может измерять износ только одного подшипника.However, the device using this method measures the constant value of the capacitance of the measuring sensors located at one of the bearings of the main shaft of the wind power plant, despite the fact that the vibration of this shaft relative to the rolling bearing housing is chaotic with the amplitude for each of these bearings depending on the degree of wear. Therefore, this device has low sensitivity to the wear rate of the main shaft roller bearings of a wind turbine and can only measure the wear of one bearing.

Технический результат - повышение чувствительности и расширения функциональных возможностей в случае использования подшипников качения.The technical result is increased sensitivity and expanded functionality when using rolling bearings.

Технический результат достигается тем, что емкости измеряют относительно главного вала в точках, расположенных попарно на вертикальной оси его симметрии в непосредственной близости от подшипников со стороны ветропривода и редуктора, выделяют в каждой из пар точек переменную составляющую емкости, сравнивают их между собой, и если их разница превысит первую заданную величину, то формируется сигнал о предельно допустимой степени износа одного их подшипников, а если их разность превысит вторую заданную величину, то формируется сигнал о необходимости вывода ветроэнергетической установки из работы.The technical result is achieved by measuring the containers relative to the main shaft at points located in pairs on the vertical axis of its symmetry in the immediate vicinity of the bearings on the side of the wind drive and gearbox, identifying the variable component of the capacity at each pair of points, comparing them with each other, and if they If the difference exceeds the first specified value, then a signal is generated about the maximum permissible degree of wear of one of the bearings, and if their difference exceeds the second specified value, then a signal is generated about the need to take the wind power plant out of operation.

Предлагаемый способ заключается в том, во время эксплуатации ветроэнергетической установки происходит износ подшипников качения ее главного вала, который сопровождается его вибрацией в изношенном подшипнике. При этом амплитуда этой вибрации возрастает по мере увеличения износа этого подшипника. Поэтому износ подшипника можно определить путем измерения переменной составляющей емкости этого главного вала относительно элементов ветроэнергетической установки непосредственно у каждого из его подшипников. Для этого выделяют переменные составляющие емкости у каждого подшипника, сравнивают их между собой и если их разница превысит первую заданную величину, то формируется сигнал о предельно допустимой степени износа одного их подшипников. Если их разность превысит вторую заданную величину, то формируется сигнал о необходимости вывода ветроэнергетической установки из работы.The proposed method consists in the fact that during the operation of a wind power plant, the rolling bearings of its main shaft wear out, which is accompanied by its vibration in the worn bearing. Moreover, the amplitude of this vibration increases as the wear of this bearing increases. Therefore, bearing wear can be determined by measuring the variable component of the capacitance of this main shaft relative to the elements of the wind turbine directly at each of its bearings. To do this, the variable components of the capacity of each bearing are isolated, they are compared with each other, and if their difference exceeds the first specified value, then a signal is generated about the maximum permissible degree of wear of one of the bearings. If their difference exceeds the second specified value, then a signal is generated indicating the need to take the wind power plant out of operation.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного технического решения последовательностью операций.A comparative analysis with the prototype shows that the proposed technical solution differs from the known technical solution in the sequence of operations.

Сравнение заявляемого технического решения с известным техническим решением показывает, что такие операции известны. Однако использование их таким образом проявляет в заявляемом способе новые свойства, например, измерять величину вибрации каждого подшипника и определять степень его износа.A comparison of the proposed technical solution with a known technical solution shows that such operations are known. However, using them in this way exhibits new properties in the claimed method, for example, measuring the amount of vibration of each bearing and determining the degree of its wear.

Блок схема устройства для реализации предлагаемого способа изображена на фиг. 1. Это устройство представляет собой блоки 1 и 2 емкостных датчиков 3,4 и 5,6, которые через измерительные мосты 7 и 8, фильтры 9 и 10, а также выпрямители 11 и 12 присоединены к блоку сравнения 13. Выход блока 13 сравнения присоединен к входам пороговых элементов 14 и 15. При этом выход порогового элемента 14 подключен к блоку индикации 16, а выход порогового элемента 15 к блоку формирования отключающего сигнала 17. Питание измерительных мостов 7 и 8 осуществляется источником 18 постоянного тока.A block diagram of a device for implementing the proposed method is shown in Fig. 1. This device consists of blocks 1 and 2 of capacitive sensors 3,4 and 5,6, which through measuring bridges 7 and 8, filters 9 and 10, as well as rectifiers 11 and 12 are connected to the comparison block 13. The output of the comparison block 13 is connected to the inputs of threshold elements 14 and 15. In this case, the output of the threshold element 14 is connected to the display unit 16, and the output of the threshold element 15 to the shutdown signal generating unit 17. The power supply of the measuring bridges 7 and 8 is provided by a direct current source 18.

Конструкция и крепление блоков 1 и 2 емкостных датчиков на корпусе ветроэнергетической установки 19 показано на фиг. 2. Блоки 1 и 2 для облегчения их изготовления и установки выполняются одинаково в виде основания 20 и хомута 21 изготовленные из диэлектрического материала, например, текстолита. Емкостные датчики 3,5 и 4,6 представляют собой металлические пластины, которые закрепляются, например, приклеиваются на основаниях 20 и хомутах 21 так, как показано на фиг. 2. Скрепляются основания 20 и хомуты 21 с помощью болта 22 и гаек 23. Крепление оснований 20 к корпусу ветроэнергетической установки 19 осуществляется болтами 24. Таким образом, одним электродом емкостных датчиков 3,5 и 4,6 изолированные пластины, а другим главный вал 25 ветроэнергетической установки. При этом главный вал 25 закрепляется на корпусе ветроэнергетической установки 19 с помощью подшипников качения 26 и 27.The design and mounting of capacitive sensor blocks 1 and 2 on the body of the wind power plant 19 is shown in Fig. 2. To facilitate their manufacture and installation, blocks 1 and 2 are made identically in the form of a base 20 and a clamp 21 made of dielectric material, for example, textolite. Capacitive sensors 3.5 and 4.6 are metal plates that are fixed, for example glued, to bases 20 and clamps 21 as shown in FIG. 2. The bases 20 and clamps 21 are fastened using a bolt 22 and nuts 23. The bases 20 are fastened to the body of the wind power plant 19 with bolts 24. Thus, one electrode of the capacitive sensors 3.5 and 4.6 is insulated plates, and the other is the main shaft 25 wind power plant. In this case, the main shaft 25 is fixed to the housing of the wind power plant 19 using rolling bearings 26 and 27.

В устройстве для реализации предлагаемого способа каждый из блоков 1 и 2 емкостных датчиков 3,4 и 5,6, регистрирует перемещение главного вала 25 только в том подшипнике, возле которого он расположен. Так блок 1 емкостных датчиков 3 и 4 предназначен только для контроля перемещения главного вала 25 в подшипнике 26. При этом блок 2 емкостных датчиков 5 и 6 предназначен только для контроля перемещения главного вала 25 в подшипнике 27. Величина емкостей емкостных датчиков 3,4 и 5,6 зависит от амплитуды вибрации главного вала 25 в подшипниках 26 и 27 соответственно.In the device for implementing the proposed method, each of the blocks 1 and 2 of capacitive sensors 3,4 and 5,6 registers the movement of the main shaft 25 only in the bearing near which it is located. So block 1 of capacitive sensors 3 and 4 is intended only for monitoring the movement of the main shaft 25 in bearing 26. In this case, block 2 of capacitive sensors 5 and 6 is intended only for monitoring the movement of the main shaft 25 in bearing 27. The value of the capacitances of capacitive sensors 3,4 and 5 ,6 depends on the vibration amplitude of the main shaft 25 in bearings 26 and 27, respectively.

Измерительные мосты 7,8, фильтры 9,10 и выпрямители 11,12 выполняются одинаково. Схема измерительного моста 7 приведена на фиг. 3. Измерительный мост 7 содержит два активных резистора 28 и 29, а также подстроечные резистор 30 и емкость 31. С помощью этих элементов осуществляется балансировка измерительного моста 7 перед введением устройства в работу таким образом, чтобы напряжения на выходе измерительного моста 7 было равно нулю. Конструкция измерительного моста 8, его подключение и балансировка выполняется аналогично. В этом случае напряжение на выходе измерительного моста 8 было равно нулю. Measuring bridges 7,8, filters 9,10 and rectifiers 11,12 are made in the same way. The diagram of the measuring bridge 7 is shown in Fig. 3. Measuring bridge 7 contains two active resistors 28 and 29, as well as trimming resistor 30 and capacitance 31. Using these elements, the measuring bridge 7 is balanced before putting the device into operation so that the voltage at the output of measuring bridge 7 was equal to zero. The design of the measuring bridge 8, its connection and balancing is carried out similarly. In this case the voltage at the output of the measuring bridge 8 was equal to zero.

Фильтры 9 и 10 предназначены для выделения переменной составляющей из напряжений и на выходе измерительных мостов 7 и 8. Они могут выполняться в виде емкостей. Переменная составляющая напряжений на их выходе в виде напряжений и выпрямляется с помощью двухполупериодных выпрямителей 11,12 и поступает на первый и второй входы блока сравнения 13, который выполняется по схеме сравнения двух электрических величин. Пороговые элементы 14 и 15 представляют собой электронные или электромеханических реле. Пороги срабатывания этих пороговых элементов 14 и 15 принимается равными и , где и - напряжения на выходе блока сравнения 13. Величины и выбираются исходя из зависимости , где - величина смещения ротора по вертикали. При этом и выбираются так, чтобы было меньше .Filters 9 and 10 are designed to isolate the variable component from voltages And at the output of measuring bridges 7 and 8. They can be made in the form of containers. The alternating component of the voltages at their output in the form of voltages And rectified using full-wave rectifiers 11,12 and supplied to the first and second inputs of the comparison unit 13, which is performed according to a circuit comparing two electrical quantities. Threshold elements 14 and 15 are electronic or electromechanical relays. The response thresholds of these threshold elements 14 and 15 are assumed to be equal And , Where And - voltage at the output of comparison block 13. Values And are selected based on dependence , Where - the amount of vertical displacement of the rotor. Wherein And are chosen so that there was less .

Блок индикации 16 предназначен для отображения информации о достижении предельно допустимой степени износа подшипников качения главного вала ветроэнергетической установки. Он может выполняться, например, в виде табло на светодиодных индикаторах. Блок 17 формирования отключающего сигнала может быть выполнен в виде электрического или электронного реле.The display unit 16 is designed to display information about reaching the maximum permissible degree of wear of the rolling bearings of the main shaft of the wind power plant. It can be performed, for example, in the form of a board with LED indicators. Block 17 for generating a shutdown signal can be made in the form of an electrical or electronic relay.

Если износ подшипников и вибрация главного вала 25 ветроэнергетической установки относительно корпусов подшипников качения отсутствует, то в этом случае то емкости датчиков 3 и 4, а также 5 и 6 равны между собой. Следовательно, мосты 7 и 8 будут сбалансированы. При этом напряжения и на их выходе, на выходах фильтров 9,10 и выпрямителях 11 и 12, а также на первом и втором входах блока 13 сравнения и пороговых элементов 14, 15 будут равны нулю. В результате блок индикации 16 будет информировать об отсутствии износа подшипников, а сигнал на выходе блока 17 на отключение ветроэнергетической установки будет также отсутствовать.If there is no wear of bearings and vibration of the main shaft 25 of the wind power plant relative to the rolling bearing housings, then in this case the capacitances of sensors 3 and 4, as well as 5 and 6 are equal to each other. Therefore, bridges 7 and 8 will be balanced. In this case, the voltage And at their output, at the outputs of filters 9,10 and rectifiers 11 and 12, as well as at the first and second inputs of comparison block 13 and threshold elements 14, 15 will be equal to zero. As a result, the display unit 16 will inform about the absence of wear of the bearings, and the signal at the output of the unit 17 to turn off the wind power plant will also be absent.

Если главный вал 25 из-за износа, например, подшипника 26 при отсутствии износа подшипника 27 начинает вибрировать, то вследствие перемещения его по вертикали возникает изменение только величин емкостей емкостных датчиков 3 и 4. Что вызовет разбалансировку измерительного моста 7. В этом случае напряжения на его выходе, на выходе фильтра 9 и первом входе блока 13 сравнения будет не равно нулю. пороговых элементов 14, 15 будут равны нулю. При этом напряжение на выходе измерительного моста 8, на выходе фильтра 10 и втором входе блока 13 сравнения будет равно нулю. В результате на выходе блока сравнения 13 и входах пороговых элементов 14 и 15 появится напряжение. И если оно превысит порог напряжение порога срабатывания , то пороговый элемент 14 сформирует сигнал, а блок индикации 16 проинформирует о предельно допустимом износе подшипника. Если это напряжение превысит порог напряжение порога срабатывания , то сработает пороговый элемент 15, а блок 17 сформирует сигнал на отключение ветроэнергетической установки 19.If the main shaft 25, due to wear, for example, of the bearing 26 in the absence of wear of the bearing 27, begins to vibrate, then due to its vertical movement, only the capacitance values of the capacitive sensors 3 and 4 change. This will cause an imbalance of the measuring bridge 7. In this case, the voltage at its output, at the output of filter 9 and the first input of comparison block 13 will not be equal to zero. threshold elements 14, 15 will be equal to zero. In this case, the voltage at the output of the measuring bridge 8, at the output of the filter 10 and the second input of the comparison block 13 will be zero. As a result, voltage will appear at the output of comparison unit 13 and the inputs of threshold elements 14 and 15. And if it exceeds the voltage threshold , then the threshold element 14 will generate a signal, and the display unit 16 will inform about the maximum permissible wear of the bearing. If this voltage exceeds the voltage threshold , then the threshold element 15 will operate, and block 17 will generate a signal to turn off the wind power plant 19.

В случае износа подшипника 26 устройства для реализации предлагаемого способа работает аналогично.In case of wear of the bearing 26, the device for implementing the proposed method works similarly.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в возможности разработки устройства диагностики, которое позволяет с высокой чувствительностью надежно выявлять вибрации главного вала в ветроэнергетических установках, возникающие из-за износа подшипников качения, расположенных у ветродвигателя и редуктора, что позволяет своевременно выявить износ подшипников, значить сократить время и стоимость после аварийного ремонта.The technical and economic efficiency of the proposed method lies in the possibility of developing a diagnostic device that allows, with high sensitivity, to reliably detect vibrations of the main shaft in wind power plants that arise due to wear of the rolling bearings located at the wind turbine and gearbox, which allows timely detection of bearing wear, which means reducing time and cost after emergency repair.

Claims (1)

Способ выявления степени износа подшипников качения главного вала ветроэнергетической установки, основанный на измерении его емкости относительно элементов ее конструкции и формировании сигнала о степени их износа, отличающийся тем, что емкости измеряют относительно главного вала в точках, расположенных попарно на вертикальной оси его симметрии в непосредственной близости от подшипников со стороны ветропривода и редуктора, выделяют в каждой из пар точек переменную составляющую емкости, сравнивают их между собой, и если их разница превысит первую заданную величину, то формируется сигнал о предельно допустимой степени износа одного их подшипников, а если их разность превысит вторую заданную величину, то формируется сигнал о необходимости вывода ветроэнергетической установки из работы. A method for identifying the degree of wear of the rolling bearings of the main shaft of a wind power plant, based on measuring its capacitance relative to its structural elements and generating a signal about the degree of wear, characterized in that the capacitances are measured relative to the main shaft at points located in pairs on the vertical axis of its symmetry in close proximity from the bearings on the side of the wind drive and gearbox, select a variable component of the capacitance at each pair of points, compare them with each other, and if their difference exceeds the first specified value, then a signal is generated about the maximum permissible degree of wear of one of their bearings, and if their difference exceeds the second a given value, then a signal is generated about the need to take the wind power plant out of operation.