摘要：当前世界各国均大力发展可再生能源利用，随着激光测振技术与视觉融合技术的日趋完善，节能型风电技术的广泛应用。风力发电机叶片作为风力发电机组的关键部件之一，在风电系统安全运行中起着至关重要的作用，目前普遍发生的叶片高周疲劳断裂故障，其中由于振动引起的叶片高周疲劳断裂故障约占总事故率的25%。运用激光多普勒外差式与视觉融合技术进行风电叶片日常运行故障监测、及时准确诊断是保障风电系统安全运行的重要手段。也是降低生产运行成本，提高企业经济效益的重要途径，本文着重介绍使用激光与视觉融合技术在风电叶片故障监测、诊断过程中的实践和体会。 关键词：风力发电、激光多普勒、多视觉、融合技术 引言：绿色能源的发展带动了风电技术的高速成长，由此提高了风电机组关键部件的监测要求，融合多项技术的监测设备已成为维护风电机组正常运行的必备，本文以风电机组、融合性监测技术的发展过程，以实例详细介绍了融合技术的可行性、对应用的发展方向作了探索与思考，为绿色能发展添砖加瓦。 1、 风电技术简介 （1）风电技术起源于20世纪70年代，当人类社会爆发了第一次石油能源危机，为解决能源危机带来的社会动荡，各国相继出台了相关法律、政策，促进发展利用可再生能源代替不可再生的矿物能源。由于风力发电成本在可再生能源利用技术中接近于常规能源，成为了绿色能源中发展最快的产业。1996年至2009年，世界风电业发展进入快车道，风电装机容量以平均28%增长速度增长。2010年至2020年，我国风电累计装机容量持续增长，2019年为21005万千瓦，未来发展更以大规模集中开发，建设陆上风电中心为主。 （2）风电主要结构、工作原理及性能介绍 风力发电机是将风的动能通过风轮转换成机械能，然后带动发电机发电，转换为电能。风电机组是由风轮、机舱、塔架组成，风轮由轮毂、变桨、轮毂罩（导流罩）组成，机舱主要由主轴系统、增速箱、发电机、偏航、刹车、散热排风、机舱罩组成。见图1(a)、(b)、图2所示
图1 风电机组组成
图2 轮毂与机舱组成 （3）风轮、叶片结构及叶片发展过程 风力发电机风轮结构是由轮毂、叶片、控制系统组成，轮毂是风轮的动力枢纽，相关工作流程见图3所示。
图3 风轮工作流程 风力发电机叶片发展进程，见图4所示。
图4 叶片发展过程
风轮功率 其中风轮功率系数 值为0.2～0.5, D为风轮直径，ρ空气密度，V 风速 2、 风力发电机叶片工作状态分析 2.1 叶片工作状态及故障分析 在长时间运行中，叶片会出现表面裂纹、腐蚀、磨损、脱落，如没有及时发现，及时完成维修处理，严重的情况下会出现叶片开裂、断裂的重大事故。由于风力发电机是长期工作在野外大自然环境，强大的气流体会诱发叶片出现颤振、发散等振动现象，弹性体的叶片在气动力作用下形成的气弹耦合的自激振动，称为颤振。当叶片处在气动力、重力、离心力作用状态下，风电叶片会出现挥舞、摆振、扭转这三种机械振动形式。 （1）挥舞是指叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动。 （2）摆振是指叶片在旋转平面内的弯曲振动。 （3）扭转是指叶片绕其变距轴的扭转振动。 实际当叶片振动处于一、二阶低频处时，已基本集中了主要的振动能量，主要以挥舞、摆振为振动形式存在。按惯例，叶片气动激振力的频率达3倍转速频率时，谐波分量为最大。需密切监测、控制叶片的固有频率远离共振频率，以防重大故障发生。风力发电机在生产、运营过程中，叶片的维修成本约占整个风电系统总价的10%-15%，叶片损坏失效分析，常用测量方式见表1、表2。 2.2 目前常用的叶片故障诊断方式为： （1）红外热成像技术 （2）激光超声技术 （3）光学应变测量、视觉技术 （4）振动测量、声发射技术 （5）光纤、摄像技术 风电机组在日常工作中分别使用了压电陶瓷、声波、脉冲与振动、光纤光栅、光纤视觉、应力应变等测试传感器，对风电系统叶片及关键部位实时监测。通过对实际测量的稳定性、可靠性、安全性等方面来综合评定，采用摄像、视觉、光学应变、光纤测量技术要优于激光超声、声发射、电阻应变、振动、红外成像等技术手段。 2.3 叶片失效分析及测量 （1）叶片损坏失效分析，见表1所示。 表1 叶片损坏失效分析表
（2）叶片常用测量方式，见表2所示。 表2 叶片常用测量方式
3、 激光测振与多视觉融合在风电系统中应用 3.1、激光测振与视觉技术 （1）目前广泛使用的高精度测量振动物体位移、速度、加速度的仪器设备是利用多普勒效应、外差干涉法原理制成的激光多普勒测振仪，以纳米级实现高线性度的振幅分辨率，高频及距离变化不影响测试精度, 以单点、差分、扫描、显微等型式分类，如图5所示。
图5 激光测振仪分类 （2）常用视觉检测系统由相机、镜头、光源组成，视觉检测系统是用工业相机（摄像机）代替人眼睛去完成识别、定位、测量等功能，视觉检测技术是结合了光电探测、图像处理、电子学、计算机技术，实现对产品、零件三维尺寸及位置的快速检测技术。具有非接触、速度快、柔性好等突出优点，有着重要的应用前景，3D视觉技术测量原理，如图6所示。
图6 3D 视觉技术测量 3.2激光多普勒测振与视觉融合技术产品 （1）目前作为具有典型代表性的激光多普勒测振与视觉融合技术产品有显微激光测振仪、激光多普勒测振与视觉融合机器人，显微激光测振仪是可视化、多功能非接触式振动测量仪器，通过显微光学系统实现对微小物体的精密振动测量。通过显微成像系统实时同步观察物体的振动状态，采集频率、速度、加速度、位移等多维信息，精确测量MEMS等微小结构元器件的振动和形貌特征。激光光斑达微米量级，是实用性强的高效显微测量分析工具，如图7 (a)、(b)所示。
图7 显微激光测振类型 （2）激光多普勒测振系统与视觉融合机器人是将激光多普勒测振系统、各类视觉系统、图像识别系统产品安装在机器人机械手上或者巡检机器人上，以完成实现对摩托车、汽车车身、大型机械工作台、数控组合机床、太阳能电池板等不规则物体的多维、多方位振动测量，完成电厂巡检、危险场地的设备运行情况探测，见图8(a)、(b)所示。
图8 激光多普勒测振与视觉融合 3.3、应用于风电系统的激光多普勒测振产品及实例 （1）目前应用于风电系统测量，常用全场扫描式激光测振系统、远距离激光测振系统，全场扫描式激光测振系统实现了快速扫描物体表面，自行选择定义测量区域和测量点，可视化测量分析物体结构振动特性，实现以二维、三维显示及数据分析，能精确测量大型结构、高温、柔软物体，见9(a)、(b)所示。远距离激光测振系统可以测量100m以外超远距离物体振动，测量出目标的微小形变，及振动情况，强迫振动频率、固有频率和振幅，通过频谱分析冲击系数、功率频谱等参数。常用于大坝变形、高层建筑物、桥梁、地铁、山体滑坡监测等，见图10(a)、(b)所示。
图9 全场扫描式激光测振系统
图10 全场扫描式激光测振系统 （2）使用全场扫描式激光测振系统、远距离激光测振系统，对风电机组系统叶片进行测定， 如下例；按有限元法6阶振态对叶片测定，额定风速14m/s，叶片长23.3m，转速范围（9～17）r/min，叶片模态、振态见表3， 叶片频响函数、时域、频域振动波形如图11、图12所示。 表3 叶片模态、振态
图11 叶片频响函数
图12 风电机组叶片时域、频域振动波形
（3）选定远距离、单点、多点式激光测振系统分别可对风电机组叶片、塔体、机舱内的联轴器的振动、变形情况进行实时监测，如图13、图14所示。 将全场扫描式激光测振系统与多视觉融合按装于风电机组机舱上方， 可检测叶片的工作状况，如图15所示。
图13 风电机组联轴器测定
图14 风电机组叶片、塔体测定
图15 风电机组叶片测定 （3）激光多普勒测振系统与多视觉爬行机器人融合， 该项融合性技术应用，将具有多项检测性能的爬行机器人，应用于风力发电领域，可精确定位依附在风电机组某一指定位置， 进行缺限检测，如图16所示。
图16 激光多普勒测振系统与多视觉爬行机器人融合 （4）激光多普勒测振系统与多视觉无人机融合，借助于机载平台、遥感技术，对风电机组进行定位监测。 4、结语 目前影响风电机组正常运行工作时间的是齿轮箱、叶片、主传动链故障，也是造成风电机组停机的主要原因，故障停机时间约占总停机时间的比例为95%。据国际风电机组故障数据统计，叶片、齿轮箱损坏是目前国际上风电机组系统两大主要出险原因，故障概率近乎各一半。而风电机组大部件维修、更换成本一直比较高额昂，定时维修成本远低于事后故障维修成本。随着深化发展智能化风电机组的在线监测，运用激光多普勒外差式原理与多视觉融合技术的测试产品将向微型化、简洁型、多功能化方向发展，更多结合温控、声控、红外、光纤、激光雷达等技术，对风电机组系统主要部件、风电机组的轴承、机舱、塔体、叶片、联轴器、齿轮箱、偏航系统、风向、风速等进行全天候、全面的实时检测。全面提升传感器的有效性，使测试监控系统做到早期故障预警、准确完成故障诊断工作。通过激光多普勒外差式测振与多视觉、激光雷达、声控、光纤等技术融合，对风电机组系统中齿轮箱油液、叶片工作状况进行有效监测。对风电机组周边大自然环境的风向、风速变化、飓风来临到达的时间等信息进行预判，将有效信息向风电机组控制系统及时反馈、以做到实时控制，保证风电机组的正常运行工作。 参考文献： 1、 风力发电机结构组成及其应用 https://wenku.baidu.com/view/04b3f004b04e852458fb770bf78a6529657d3563.html?fr=search-1_income4 2、 风力叶片三维参数建模及振动分析 https://www.docin.com/p-1321842063.html 3、激光测振仪应用领域 polytec动态发布日期：2021-01-27 15:56:38 作着：严建伟，浙江大学在职研究生结业 具有中国机械工程学会颁发机械工程师证书， 邮电工业总公司颁发工程师证， 拥有多项专利及论文发布，是中国机械工程学会高级会员，中国光学学会高级会员，中国标准化协会会员， 浙江省标准化协会会员 目前就职于舜宇集团研发部
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