摘要：當前世界各國均大力發(fā)展可再生能源利用，隨著激光測振技術與視覺融合技術的日趨完善，節(jié)能型風電技術的廣泛應用。風力發(fā)電機葉片作為風力發(fā)電機組的關鍵部件之一，在風電系統(tǒng)安全運行中起著至關重要的作用，目前普遍發(fā)生的葉片高周疲勞斷裂故障，其中由于振動引起的葉片高周疲勞斷裂故障約占總事故率的25%。運用激光多普勒外差式與視覺融合技術進行風電葉片日常運行故障監(jiān)測、及時準確診斷是保障風電系統(tǒng)安全運行的重要手段。也是降低生產運行成本，提高企業(yè)經濟效益的重要途徑，本文著重介紹使用激光與視覺融合技術在風電葉片故障監(jiān)測、診斷過程中的實踐和體會。 關鍵詞：風力發(fā)電、激光多普勒、多視覺、融合技術 引言：綠色能源的發(fā)展帶動了風電技術的高速成長，由此提高了風電機組關鍵部件的監(jiān)測要求，融合多項技術的監(jiān)測設備已成為維護風電機組正常運行的必備，本文以風電機組、融合性監(jiān)測技術的發(fā)展過程，以實例詳細介紹了融合技術的可行性、對應用的發(fā)展方向作了探索與思考，為綠色能發(fā)展添磚加瓦。 1、 風電技術簡介 （1）風電技術起源于20世紀70年代，當人類社會爆發(fā)了第一次石油能源危機，為解決能源危機帶來的社會動蕩，各國相繼出臺了相關法律、政策，促進發(fā)展利用可再生能源代替不可再生的礦物能源。由于風力發(fā)電成本在可再生能源利用技術中接近于常規(guī)能源，成為了綠色能源中發(fā)展最快的產業(yè)。1996年至2009年，世界風電業(yè)發(fā)展進入快車道，風電裝機容量以平均28%增長速度增長。2010年至2020年，我國風電累計裝機容量持續(xù)增長，2019年為21005萬千瓦，未來發(fā)展更以大規(guī)模集中開發(fā)，建設陸上風電中心為主。 （2）風電主要結構、工作原理及性能介紹 風力發(fā)電機是將風的動能通過風輪轉換成機械能，然后帶動發(fā)電機發(fā)電，轉換為電能。風電機組是由風輪、機艙、塔架組成，風輪由輪轂、變槳、輪轂罩（導流罩）組成，機艙主要由主軸系統(tǒng)、增速箱、發(fā)電機、偏航、剎車、散熱排風、機艙罩組成。見圖1(a)、(b)、圖2所示
圖1 風電機組組成
圖2 輪轂與機艙組成 （3）風輪、葉片結構及葉片發(fā)展過程 風力發(fā)電機風輪結構是由輪轂、葉片、控制系統(tǒng)組成，輪轂是風輪的動力樞紐，相關工作流程見圖3所示。
圖3 風輪工作流程 風力發(fā)電機葉片發(fā)展進程，見圖4所示。
圖4 葉片發(fā)展過程
風輪功率 其中風輪功率系數(shù) 值為0.2～0.5, D為風輪直徑，ρ空氣密度，V 風速 2、 風力發(fā)電機葉片工作狀態(tài)分析 2.1 葉片工作狀態(tài)及故障分析 在長時間運行中，葉片會出現(xiàn)表面裂紋、腐蝕、磨損、脫落，如沒有及時發(fā)現(xiàn)，及時完成維修處理，嚴重的情況下會出現(xiàn)葉片開裂、斷裂的重大事故。由于風力發(fā)電機是長期工作在野外大自然環(huán)境，強大的氣流體會誘發(fā)葉片出現(xiàn)顫振、發(fā)散等振動現(xiàn)象，彈性體的葉片在氣動力作用下形成的氣彈耦合的自激振動，稱為顫振。當葉片處在氣動力、重力、離心力作用狀態(tài)下，風電葉片會出現(xiàn)揮舞、擺振、扭轉這三種機械振動形式。 （1）揮舞是指葉片在垂直于旋轉平面方向上的彎曲振動。 （2）擺振是指葉片在旋轉平面內的彎曲振動。 （3）扭轉是指葉片繞其變距軸的扭轉振動。 實際當葉片振動處于一、二階低頻處時，已基本集中了主要的振動能量，主要以揮舞、擺振為振動形式存在。按慣例，葉片氣動激振力的頻率達3倍轉速頻率時，諧波分量為最大。需密切監(jiān)測、控制葉片的固有頻率遠離共振頻率，以防重大故障發(fā)生。風力發(fā)電機在生產、運營過程中，葉片的維修成本約占整個風電系統(tǒng)總價的10%-15%，葉片損壞失效分析，常用測量方式見表1、表2。 2.2 目前常用的葉片故障診斷方式為： （1）紅外熱成像技術 （2）激光超聲技術 （3）光學應變測量、視覺技術 （4）振動測量、聲發(fā)射技術 （5）光纖、攝像技術 風電機組在日常工作中分別使用了壓電陶瓷、聲波、脈沖與振動、光纖光柵、光纖視覺、應力應變等測試傳感器，對風電系統(tǒng)葉片及關鍵部位實時監(jiān)測。通過對實際測量的穩(wěn)定性、可靠性、安全性等方面來綜合評定，采用攝像、視覺、光學應變、光纖測量技術要優(yōu)于激光超聲、聲發(fā)射、電阻應變、振動、紅外成像等技術手段。 2.3 葉片失效分析及測量 （1）葉片損壞失效分析，見表1所示。 表1 葉片損壞失效分析表
（2）葉片常用測量方式，見表2所示。 表2 葉片常用測量方式
3、 激光測振與多視覺融合在風電系統(tǒng)中應用 3.1、激光測振與視覺技術 （1）目前廣泛使用的高精度測量振動物體位移、速度、加速度的儀器設備是利用多普勒效應、外差干涉法原理制成的激光多普勒測振儀，以納米級實現(xiàn)高線性度的振幅分辨率，高頻及距離變化不影響測試精度, 以單點、差分、掃描、顯微等型式分類，如圖5所示。
圖5 激光測振儀分類 （2）常用視覺檢測系統(tǒng)由相機、鏡頭、光源組成，視覺檢測系統(tǒng)是用工業(yè)相機（攝像機）代替人眼睛去完成識別、定位、測量等功能，視覺檢測技術是結合了光電探測、圖像處理、電子學、計算機技術，實現(xiàn)對產品、零件三維尺寸及位置的快速檢測技術。具有非接觸、速度快、柔性好等突出優(yōu)點，有著重要的應用前景，3D視覺技術測量原理，如圖6所示。
圖6 3D 視覺技術測量 3.2激光多普勒測振與視覺融合技術產品 （1）目前作為具有典型代表性的激光多普勒測振與視覺融合技術產品有顯微激光測振儀、激光多普勒測振與視覺融合機器人，顯微激光測振儀是可視化、多功能非接觸式振動測量儀器，通過顯微光學系統(tǒng)實現(xiàn)對微小物體的精密振動測量。通過顯微成像系統(tǒng)實時同步觀察物體的振動狀態(tài)，采集頻率、速度、加速度、位移等多維信息，精確測量MEMS等微小結構元器件的振動和形貌特征。激光光斑達微米量級，是實用性強的高效顯微測量分析工具，如圖7 (a)、(b)所示。
圖7 顯微激光測振類型 （2）激光多普勒測振系統(tǒng)與視覺融合機器人是將激光多普勒測振系統(tǒng)、各類視覺系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)產品安裝在機器人機械手上或者巡檢機器人上，以完成實現(xiàn)對摩托車、汽車車身、大型機械工作臺、數(shù)控組合機床、太陽能電池板等不規(guī)則物體的多維、多方位振動測量，完成電廠巡檢、危險場地的設備運行情況探測，見圖8(a)、(b)所示。
圖8 激光多普勒測振與視覺融合 3.3、應用于風電系統(tǒng)的激光多普勒測振產品及實例 （1）目前應用于風電系統(tǒng)測量，常用全場掃描式激光測振系統(tǒng)、遠距離激光測振系統(tǒng)，全場掃描式激光測振系統(tǒng)實現(xiàn)了快速掃描物體表面，自行選擇定義測量區(qū)域和測量點，可視化測量分析物體結構振動特性，實現(xiàn)以二維、三維顯示及數(shù)據(jù)分析，能精確測量大型結構、高溫、柔軟物體，見9(a)、(b)所示。遠距離激光測振系統(tǒng)可以測量100m以外超遠距離物體振動，測量出目標的微小形變，及振動情況，強迫振動頻率、固有頻率和振幅，通過頻譜分析沖擊系數(shù)、功率頻譜等參數(shù)。常用于大壩變形、高層建筑物、橋梁、地鐵、山體滑坡監(jiān)測等，見圖10(a)、(b)所示。
圖9 全場掃描式激光測振系統(tǒng)
圖10 全場掃描式激光測振系統(tǒng) （2）使用全場掃描式激光測振系統(tǒng)、遠距離激光測振系統(tǒng)，對風電機組系統(tǒng)葉片進行測定， 如下例；按有限元法6階振態(tài)對葉片測定，額定風速14m/s，葉片長23.3m，轉速范圍（9～17）r/min，葉片模態(tài)、振態(tài)見表3， 葉片頻響函數(shù)、時域、頻域振動波形如圖11、圖12所示。 表3 葉片模態(tài)、振態(tài)
圖11 葉片頻響函數(shù)
圖12 風電機組葉片時域、頻域振動波形
（3）選定遠距離、單點、多點式激光測振系統(tǒng)分別可對風電機組葉片、塔體、機艙內的聯(lián)軸器的振動、變形情況進行實時監(jiān)測，如圖13、圖14所示。 將全場掃描式激光測振系統(tǒng)與多視覺融合按裝于風電機組機艙上方， 可檢測葉片的工作狀況，如圖15所示。
圖13 風電機組聯(lián)軸器測定
圖14 風電機組葉片、塔體測定
圖15 風電機組葉片測定 （3）激光多普勒測振系統(tǒng)與多視覺爬行機器人融合， 該項融合性技術應用，將具有多項檢測性能的爬行機器人，應用于風力發(fā)電領域，可精確定位依附在風電機組某一指定位置， 進行缺限檢測，如圖16所示。
圖16 激光多普勒測振系統(tǒng)與多視覺爬行機器人融合 （4）激光多普勒測振系統(tǒng)與多視覺無人機融合，借助于機載平臺、遙感技術，對風電機組進行定位監(jiān)測。 4、結語 目前影響風電機組正常運行工作時間的是齒輪箱、葉片、主傳動鏈故障，也是造成風電機組停機的主要原因，故障停機時間約占總停機時間的比例為95%。據(jù)國際風電機組故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計，葉片、齒輪箱損壞是目前國際上風電機組系統(tǒng)兩大主要出險原因，故障概率近乎各一半。而風電機組大部件維修、更換成本一直比較高額昂，定時維修成本遠低于事后故障維修成本。隨著深化發(fā)展智能化風電機組的在線監(jiān)測，運用激光多普勒外差式原理與多視覺融合技術的測試產品將向微型化、簡潔型、多功能化方向發(fā)展，更多結合溫控、聲控、紅外、光纖、激光雷達等技術，對風電機組系統(tǒng)主要部件、風電機組的軸承、機艙、塔體、葉片、聯(lián)軸器、齒輪箱、偏航系統(tǒng)、風向、風速等進行全天候、全面的實時檢測。全面提升傳感器的有效性，使測試監(jiān)控系統(tǒng)做到早期故障預警、準確完成故障診斷工作。通過激光多普勒外差式測振與多視覺、激光雷達、聲控、光纖等技術融合，對風電機組系統(tǒng)中齒輪箱油液、葉片工作狀況進行有效監(jiān)測。對風電機組周邊大自然環(huán)境的風向、風速變化、颶風來臨到達的時間等信息進行預判，將有效信息向風電機組控制系統(tǒng)及時反饋、以做到實時控制，保證風電機組的正常運行工作。 參考文獻： 1、 風力發(fā)電機結構組成及其應用 https://wenku.baidu.com/view/04b3f004b04e852458fb770bf78a6529657d3563.html?fr=search-1_income4 2、 風力葉片三維參數(shù)建模及振動分析 https://www.docin.com/p-1321842063.html 3、激光測振儀應用領域 polytec動態(tài)發(fā)布日期：2021-01-27 15:56:38 作著：嚴建偉，浙江大學在職研究生結業(yè) 具有中國機械工程學會頒發(fā)機械工程師證書， 郵電工業(yè)總公司頒發(fā)工程師證， 擁有多項專利及論文發(fā)布，是中國機械工程學會高級會員，中國光學學會高級會員，中國標準化協(xié)會會員， 浙江省標準化協(xié)會會員 目前就職于舜宇集團研發(fā)部
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