基于物元描述的风电机组关键部件状态评价

赵春华 汪 伟 潘鹏程 钟先友

（三峡大学 机械与动力学院，湖北 宜昌 443002）

风能是一种清洁的永续能源，其利用依赖于风电机组的可靠运行［1－2］.风电机组的工作环境及状态较为恶劣.比如水平轴风电机组运行在几十米的高空，机械传动动力系统受到风扰动的影响，其载荷变化比较复杂，尤其我国部分风电场处于山区或丘陵地带，气流受地形影响发生不可预测的变化，使得风电机组长期处于复杂的交变载荷下工作.另外，风电机组长期暴露在风沙、雨雪、海洋咸湿、温度骤变等恶劣环境下，承受不可预测的雷击、闪电、暴风冰霜以及电网损坏造成的额外载荷，即承受瞬态、频变疲劳载荷，使得风电机组的齿轮箱、轴承及叶片等关键部件的受载及摩擦磨损状况更加复杂，其状态描述过程困难［3］.可拓学理论采用形式化设计同时考虑解决问题的规律和方法，其利用物元的可拓性，根据实际需要，尽可能地开拓出各种有用信息.例如文献［4］通过建立物元模型一定程度上解决燃气轮机的多故障诊断问题.文献［5－6］分别建立了滚动轴承和试验机滑动磨损状态物元模型，从定量的角度进行了可拓综合评价.由此可见，可拓物元理论适用于复杂对象多源、多因素的矛盾问题的解决.

1 可拓物元理论的风电机组关键部件描述模型

1.1 可拓物元概论

可拓学是我国广州工业大学蔡文教授于1983年创立的一门横断学科，是用形式化的模型研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律和方法，对事物进行定量和定性分析，并用于解决矛盾问题［7］.

物元，是描述事物的基本元，它以有序的三元组R＝（N，c.v）来表示.其中N表示事物，c表示特征的名称，v表示N关于c所取的量值，这三者称为物元的三要素.物元概念中以v＝c（N）反映事物的质和量之间的关系.多特征事物及具有相应的多量值时，可以如下表示：

物元在可拓学中被视为逻辑细胞，用符号来描述客观世界的各种事物，用物元的变换来描述事物的变化，以形成各种矛盾问题的解决方法和路径.可拓综合评判方法也叫优度评价方法，这是可拓学中评价一个对象，包括事物、策略、方法等的优劣的基本方法，其理论建立在可拓集上，利用关联函数能把对象数值化，同时利用关联函数值的正域、负域和零界描述事物从量变到质变过程［8］.在风力发电机机关键部件系统状态辨识的过程中，需要对系统的各种状态进行描述，风力发电机系统状态描述问题实质上是对模式的综合评价问题.利用可拓综合评价方法能很好地描述系统所处的状态，这种方法不仅能定性地确定系统是否发生异常，还能对异常状况发生的程度通过关联函数进行定量的描述.

在可拓集合中，引入了关联函数这一概念，通过关联函数可以定量地描述论域U中的元素x具有性质p的程度及变化，建立实轴上的关联函数［9］.首先把实变函数中距离的概念拓展为距的概念，作为把定性描述扩大为定量描述的基础，规定实轴上点x0与区间X0＝〈a，b〉之距为

点与区间的距离d（x0，X0）与距ρ（x0，X0）的关系为

在距的基础上建立关联函数把“具有某性质P”的事物从定性描述拓展到“具有某性质P”的定量描述，并建立了初等关联函数［10］.

1.2 风电机关键部件多源物元模型建立

对于复杂对象因状态退化引起的多源多故障识别的研究，可拓理论中的多维物元的概念实质上对这类问题的解决提供了一个的新思路.风电机组关键部件（主轴承、齿轮箱、叶片等）的各种松动、磨损、冲击、裂纹、碰撞等故障，其故障机理、磨损形式、失效原因等系统描述实际上就是一个可拓模型建立及综合评价的过程.通过建立风电机组关键零部件状态物元模型，为进一步对风电机组状态退化机理和规律实现定量化描述及综合评定奠定了基础.

根据可拓菱形思维方法，首先建立如下物元R.

根据上述物元，可以建立以下状态分物元，分别如下：

1.3 物元经典域与节域

式中，Nj为所划分的各分物元（j＝1，2，3…m）；Ci为不同分物元Nj的特征状态，即风电机组关键部件的故障或失效因素；Vji分别为Nj关于Ci所规定的量值范围，各特征所取的数值范围，即经典域〈aji，bji〉.

式中，P为各物元的全体；Ci为不同状态物元的特征全体；Vpi为P关于Ci所取的量值范围，Vpi取值范围应包括Vji的所有范围.

对于具体要评价描述的物元模型，把收集到的各种信息用物元R0表示，即得到待评物元，待评物元的形式为

1.4 物元评价因素和评定类别关联度

根据可拓集合的关联函数距的概念，第i个因素关于待评物元的关联度由下式计算：

其中有

物元评定类别的关联度为

其中Kj（p0）为待评物元P0关于第j种类别状态的关联度；αi为第i因素的权重系数.权重系数由下式来确定：

由上式求出Kj（P0），如果

则待评物元的状态类型属于第j种情况.

2 风力机主轴承脂润滑磨损状态辨识实例研究

风电机组关键部件的磨损状态辨识过程实质上是一个综合评价的过程.目前兆瓦级双馈风电机组的主轴承普遍采用两个双列调心滚子轴承的支持形式，前段浮动端的一个调心滚子轴承只承受径向载荷.后端固定端的一个调心滚子轴承同时承受轴向和径向载荷.在大型回转机械设备中，将近90%的轴承采用润滑脂润滑.风电设备的润滑、摩擦、磨损状态的重要信息能在所使用的润滑油品中以各种指标的变化反映回馈出来.同时，由于油品监测数据存在定性与定量数据共存，数据的多层性与相关性、可加性等特点.因此，通过对风电设备在用润滑油油质状况、油液中磨损金属颗粒、污染杂质颗粒、基团、理化性能及元素成分含量的跟踪监测，获得有关润滑状态与设备摩擦副的润滑磨损状态信息，同时结合可拓学的形式化的描述方法对风电机组主轴承进行可拓物元描述是可行的.

统计表明，国内某风场的1.5MW级风力机主轴承的磨损状况分为正常磨损、腐蚀磨损、疲劳点蚀或剥落、磨粒磨损.见表2.

表1 脂分析常用的分析方法

表2 风电机主轴承磨损状态特征集

表3为某风电场风力发电机主轴承使用SKF LGEP脂后进行润滑油脂分析.这里共设置6个评价指标，即Fe元素浓度C1、Cr元素浓度C2、Cu元素浓度C3、形状因子C4、面积／周长比C5、PQ值C6.

表3 某风电场主轴承各项指标监测实例

根据上表建立主轴承状态物元模型

表4 SKF LGEP润滑油脂分析状态标准

根据表4建立经典域物元R0j，这里由于篇幅原因，仅列出R01.节域（物元）Rp要覆盖经典域的取值范围，即节域的取值范围为上表的覆盖范围.

结合公式（8）～（13）计算出Kj（P0）的值，结果见表5.

表5 风电机组主轴承状态关联度表

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

表6 物元状态类别判断表

根据结果可知，Kj0＝maxKj（P0）＝K4（P0）＝0.109 559 6，该风电机组主轴承的磨损状态处于磨粒磨损阶段，并由K0（P0）＝0.011 302知，该状态属于由腐蚀磨损状态发展而来的，此轴承应及时更换，以免发生更大的损伤事故.

3 结 论

应用可拓学进行风电机组关键部件的物元化描述可从多角度、多因素来综合评价其状态，可以将不同类型信息集成在一个模型中，且所选取的参数的种类和数量均可不受限制.以物元理论和可拓集合理论为基础的可拓评价方法能将复杂的风电机组特征参数的定性判别转换为定量的描述，可拓关联度的引入可以使其评价定量化和精确化，避免人为经验的影响.

［1］ 王承煦，张 源.风力发电［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［2］ 任清晨.风力发电机组工作原理和技术基础［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］ Martin O L.Hansen.Aerodynamics of Wind Turbines［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［4］ 金 文，陈长征，金志浩，等.燃气轮发电机组多故障诊断的物元分析方法［J］.中国电机工程学报，2007，27（17）：57－60.

［5］ 赵春华.基于物元模型的滚动轴承故障的可拓诊断方法［J］.润滑与密封，2006，166（4）：16－19.

［6］ 赵春华.基于可拓模型的滑动磨损状态的定量描述研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2006，38（z）：286－289.

［7］ 蔡 文.可拓集合和不相容问题［J］.科学探索学报，1983（1）：83－97.

［8］ 闫 辉.基于油液监测技术的设备润滑磨损状态的评价研究［D］.广州：广东工业大学，2006.

［9］ 蔡 文.物元模型及应用［M］.北京：科学文献出版社，1994：23－56.

［10］蔡 文，杨春燕，林伟初.可拓工程方法［M］.北京：科学出版社，2000：95－103.