一种风电齿轮箱轴承应力测试方法及测试系统与流程

本发明涉及风力发电机组状态监测与故障诊断，特别涉及一种风电齿轮箱轴承应力测试方法及测试系统。

背景技术：

1、风电齿轮箱是风电机组的关键传动部件，其运行可靠性直接影响整机寿命和发电效率。轴承作为齿轮箱中最薄弱的环节，长期承受交变载荷、冲击载荷和弯矩耦合作用，易出现滚道剥落、保持架断裂的问题，实际运行数据显示，部分风电齿轮箱的行星架前轴承在使用不足5年后即出现滚道剥落，远低于20年的设计寿命，其主要原因是轴承在实际运行中承受的附加应力远超设计预期。因此，准确获取齿轮箱轴承在真实风场工况下的应力状态，对于轴承寿命评估、故障预警和运维决策具有重要意义。

2、现有风电齿轮箱轴承应力测试大多为基于电阻应变片的原位测试方法，通过在齿轮箱外部结构件上粘贴电阻应变片，测量悬臂在风机运行过程中的应变，再通过力学等效计算反推轴承应力。该方法通过拆卸齿轮箱两侧悬臂与弹性支撑之间的支撑件，在悬臂与弹性支撑之间放置液压千斤顶进行标定加载，建立悬臂应变与受力的对应关系，然后在风机正常运行过程中采集悬臂实时应变，通过力学等效计算得到轴承实际应力值。然而，该方法在测试过程中电阻应变片存在温漂大、测点数量有限、长距离信号易衰减的缺陷，且难以在齿轮箱内部的轴承本体上进行布置，只能依靠悬臂间接反推，无法实现轴承应力的直接监测，同时此方法采用的是准静态等效计算方法，无法反映轴承在动态激励下的真实应力时变特征，输出结果为单点应力值而非动态应力谱，难以用于疲劳寿命评估，鉴于此，本方案提出一种风电齿轮箱轴承应力测试方法及测试系统，用以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供了一种风电齿轮箱轴承应力测试方法及测试系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种风电齿轮箱轴承应力测试方法，所述测试方法包括以下操作步骤：

3、s1，光学传感网络布设：在齿轮箱左右两侧悬臂的相同位置、齿轮箱轴承外圈表面，以及内齿圈齿根处分别布置光学传感器，形成多点传感网络；所述光学传感器包括应变测点和温度测点，所述温度测点用于对应变测点的温漂进行补偿解耦；

4、s2，悬臂应变与受力标定：拆卸齿轮箱两侧悬臂与弹性支撑之间的支撑件，在悬臂与弹性支撑之间安装施力设备，通过施力设备对两侧悬臂施加不同大小的作用力，同时通过光学解调仪同步采集两侧悬臂的受力数据以及应变数据和温度数据，根据采集的受力数据和应变数据确定每侧悬臂的应变与受力的对应关系；

5、s3，原位动态应变采集：将齿轮箱恢复到正常使用状态，在风机运行过程中，通过所述多点传感网络持续采集齿轮箱左右悬臂、轴承外圈及内齿圈齿根处的实时应变时序和温度时序，并利用温度测点对应变测点进行温度补偿解耦，得到实际应变时序；

6、s4，动态载荷反演：基于传动系统动力学模型，根据所述实际应变时序和所述悬臂应变与受力的对应关系，反演得到齿轮箱轴承的动态接触力时域信号，经接触应力换算与循环计数处理，提取轴承动态应力谱；

7、s5，台架闭环校准：将所述轴承动态应力谱作为加载工况输入至实验室加载试验台，由加载试验台按照所述轴承动态应力谱实测得到轴承受力真值，将轴承受力真值与轴承动态应力谱进行比对，根据比对误差修正所述传动系统动力学模型的参数，并将校正后的模型参数回灌至原位端的动态载荷反演过程。

8、优选的，所述光学传感器为光纤光栅传感器，其布置方式具体包括：

9、在齿轮箱轴承外圈表面开设环形凹槽，将光纤光栅应变测点分布于所述环形凹槽内；在内齿圈齿根处布置光纤光栅应变测点；在每处布置位置并列封装一个光纤光栅温度测点，所述温度测点与应变测点通过光纤连接线串联后从齿轮箱引出至光学解调仪。

10、优选的，利用所述温度测点对应变测点进行温度补偿解耦，具体包括：

11、通过建立温度与应变解耦模型，将同一位置的温度测点检测信号与应变测点检测信号代入所述解耦模型进行处理，消除温度交叉敏感影响，得到补偿后的实际应变时序。

12、优选的，拆卸所述齿轮箱两侧悬臂与弹性支撑之间的支撑件时，按照先后顺序依次拆卸齿轮箱两侧悬臂与弹性支撑之间的支撑件，以避免齿轮箱翻转；所述施力设备包括液压泵和液压千斤顶，在两侧悬臂与弹性支撑之间各放置一台同规格液压千斤顶，两侧同时施压，通过压力变送器读取液压泵压强并换算为千斤顶作用力，同步采集左右悬臂的应变数据，对每侧悬臂分别确定该侧悬臂应变与受力的对应关系。

13、优选的，所述传动系统动力学模型为齿轮与轴承耦合动力学模型，通过齿轮与轴承耦合动力学模型将外部随机风载、齿轮时变啮合刚度、轴承时变刚度以及综合传递误差共同作为系统激励，运用数值积分进行求解，得到齿轮箱各支承轴承的动态接触力；将所述实际应变时序结合基于有限元分析得到的应变与应力传递矩阵，对所述动态接触力进行修正，得到齿轮箱轴承的动态接触力时域信号。

14、优选的，所述提取轴承动态应力谱具体包括：

15、将轴承的动态接触力时域信号换算为滚道接触应力时程；对所述接触应力时程进行循环计数处理，得到变幅应力循环频次分布；将变幅应力折算为对称循环应力，输出轴承应力谱及概率分布函数。

16、优选的，所述加载试验台为弯扭耦合加载台架，所述弯扭耦合加载台架具备径向加载、弯矩加载、扭矩加载及摆动加载的多自由度耦合加载能力，所有加载通道共享同一时基；加载试验台实测通道同步采集扭矩、振动、温度、油膜厚度及轴承座应变，得到轴承受力真值；将原位反演得到的轴承动态应力谱作为加载试验台加载工况输入，由加载试验台按照所述轴承动态应力谱复现风场真实受力状态并实测得到轴承受力真值。

17、优选的，将所述加载试验台实测真值与原位反演得到的动态应力谱进行比对，根据比对误差修正所述传动系统动力学模型的参数，具体包括：

18、将加载试验台实测的轴承受力真值与原位反演的应力谱进行误差分析，修正动力学模型中的模型参数；将校正后的模型参数通过数字孪生校准模块回灌至原位端的边缘计算网关，使后续动态载荷反演以校正后的模型参数为基础进行计算。

19、优选的，根据所述反演得到的轴承动态应力谱，将应力谱中的变幅应力折算为平均动态当量载荷，结合疲劳累积损伤理论实时计算轴承疲劳损伤累积率与剩余寿命；当反演应力超过预设阈值时，向风机主控系统发送降载指令，通过变桨调节主动降低齿轮箱轴承载荷。

20、一种风电齿轮箱轴承应力测试系统，用于实施所述的一种风电齿轮箱轴承应力测试方法，所述该系统包括：

21、光学传感网络，所述光学传感网络布置于齿轮箱左右两侧悬臂、轴承外圈及内齿圈齿根处，包含应变测点和温度测点；

22、光学解调仪，所述光学解调仪与光学传感网络连接，所述光学解调仪用于同步解调各测点的波长和温度信号；

23、边缘计算网关，所述边缘计算网关与光学解调仪连接，所述边缘计算网关内置传动系统动力学模型与动态载荷反演算法，所述边缘计算网关用于根据实际应变时序反演轴承动态应力谱；

24、加载试验台，所述加载试验台布置于实验室，所述加载试验台具备径向、弯矩、扭矩及摆动的多自由度耦合加载能力，所述加载试验台用于按照原位反演的应力谱复现真实载荷并实测轴承受力真值；

25、数字孪生校准模块，所述数字孪生校准模块分别与边缘计算网关和加载试验台通信连接，所述数字孪生校准模块用于将加载试验台实测真值与原位反演应力谱进行比对，校正动力学模型参数并回灌至边缘计算网关；

26、风机主控系统，所述风机主控系统与边缘计算网关连接，所述风机主控系统用于根据反演应力越限信号执行主动降载控制。

27、本发明的技术效果和优点：

28、1、本发明通过布置包含应变测点和温度测点的光纤光栅传感网络，并在齿轮箱轴承外圈环形凹槽、内齿圈齿根及悬臂处形成单纤多点布局，利用温度测点实时对应变测点进行温度补偿解耦，使系统能够克服电阻应变片温漂大、测点少、无法布置于轴承本体的固有缺陷，实现齿轮箱关键部位应变的高精度、多测点同步采集，从而为轴承应力反演提供温度自补偿的多源数据支撑，提升原位测试的准确性与可靠性；

29、2、本发明基于齿轮与轴承耦合动力学模型，综合考虑外部随机风载、齿轮时变啮合刚度、轴承时变刚度及综合传递误差作为系统激励，通过数值积分求解并结合有限元应变与应力传递矩阵修正，将多源应变时序反演为轴承动态接触力时域信号，再经接触应力换算与循环计数处理提取轴承动态应力谱，使系统能够从准静态单点应力值升级为动态应力谱输出，从而真实反映轴承在随机风况下的瞬态受力特征，并为基于疲劳累积损伤理论的剩余寿命实时计算提供量化依据；

30、3、本发明将原位反演得到的轴承动态应力谱作为加载工况输入至实验室弯扭耦合加载台架，由台架在对应载荷谱下实测轴承受力真值，并将台架实测真值与原位反演结果进行比对，根据比对误差修正动力学模型参数并回灌至原位边缘计算网关，形成原位反演、台架复现、误差比对、模型校正和参数回灌的闭环校准机制，使系统能够在运行过程中持续自我优化反演精度，同时结合应力越限主动降载控制，实现从被动检测到主动防护的跨越，有效延长轴承及齿轮箱的使用寿命。