一种考虑电弧烧蚀的大功率风电变桨滑环损伤评估方法

本发明涉及电接触载流磨损评估，尤其涉及一种考虑电弧烧蚀的大功率风电变桨滑环损伤评估方法。

背景技术：

1、变桨滑环是风力发电机组中两个相对转动机构之间信号与电力传输的核心精密部件，其电刷与集电环之间的载流摩擦磨损行为直接决定风电系统的服役寿命。此外，风电变桨滑环所处的地理位置和环境条件限制，实时检测其磨损表面非常困难，增加了运维的复杂性和成本。

2、目前针对滑环载流磨损研究主要集中在高摩擦学性能滑环的研制，但在滑环运行中磨损状态无法评估。同时，大多数建立滑环磨损模型大多只考虑到了机械磨损和焦耳热磨损，未充分考虑大电流、运行振动和安装误差等因素的影响。这些因素容易导致电刷与集电环之间接触不稳，进而诱发电弧，加速载流磨损。

3、公开号为cn110287515a的专利申请公开了一种多场耦合的空间用导电滑环磨损建模与寿命预测方法，结合粘着磨损理论、赫兹理论和传热学理论，分析了摩擦副在运行过程中的磨屑量、接触区域以及温度的变化。并建立了磨屑量与运行圈数之间的关联模型，该方法有效地预测了滑环的寿命。然而，该方法仅适用于低功率的信号环路，在高功率动力环路中，由于传输电流较大，导致电接触状态更为复杂，容易引发电弧烧蚀现象，进而加重接触表面的损伤，因此在载流磨损评估领域中，该模型存在一定的局限性，并且其引入的接触载荷和接触电阻存在时变性，模型精度较低。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明提供了一种考虑电弧烧蚀的大功率风电变桨滑环损伤评估方法。

2、技术方案：本发明所公开的考虑电弧烧蚀的大功率风电变桨滑环损伤评估方法，包括以下步骤：

3、s1、选取高速摄像机拍摄采集电弧，电流电压传感器分别采集电流电压时域信号，计算得电弧的电弧瞬时功率，电弧能量，燃弧次数；

4、s2、利用数字图像处理技术提取电弧形态特征，采用分形维数计算电弧形态，包括分形维数、分形维数均值、分形维数标准差；

5、s3、建立电弧形态分形维数与电弧功率函数关系方程；

6、s4、计算电弧烧蚀表面分形维数，建立电弧损伤模型，设定电弧烧蚀表面失效阈值；

7、s5、将载流磨损划分为滑动机械磨损、接触电阻焦耳热磨损和电弧烧蚀磨损；

8、s6、引入烧蚀表面分形维数，对原模型的电弧烧蚀磨损部分进行代换，建立电弧烧蚀磨损模型；

9、s7、考虑接触载荷和接触电阻的时变性，引入磨损接触表面分形维数，对接触载荷和滑动接触电阻进行有效替换，修正滑动机械磨损和接触电阻焦耳热磨损模型；

10、s8、将s6和s7中的种磨损模型相结合，建立电弧烧蚀载流磨损分形模型；

11、s9、以电弧烧蚀表面分形维数为评价指标，对电弧烧蚀载流磨损分形模型进行数据验证。

12、进一步的，s1中采集多种电弧形态样本，

13、电弧瞬时功率p为出现电弧t时的电流it和电压ut的乘积，计算公式为：

14、p＝utit

15、电弧能量en为出现电弧的时间段δt与瞬时功率的乘积，当燃弧次数为n，计算公式为：

16、

17、进一步的，s2采用自适应阈值灰度化处理图像，小波变换阈值去噪，直方图均衡化增强图像效果，直方图均衡化提高图像对比度，最大类间方差法求得二值化阈值，sobel梯度算子提取电弧边缘特征，采用盒维数法计算电弧形态的分形维数d，电弧形态分形维数均值μd，电弧形态分形维数标准差σd。

18、进一步的，s3根据电弧形态分形维数在不同功率级下的正态分布数据，采用allometicl函数模型拟合的方式分别拟合电弧瞬时功率p和电弧形态分形维数d的函数关系曲线，函数模型为：

19、y＝axb

20、式中，y为电弧形态分形维数d，x为电弧瞬时功率p，a和b拟合模型待定系数。

21、进一步的，s4包括：

22、s4-1、采用表面分形维数评估表面的电弧烧蚀损伤程度，均方根法计算烧蚀表面分形维数；

23、

24、式中，σ(τ)为均方根测度，z(x)为表面形貌的高度，df为烧蚀表面分形维数，g为分形粗糙度，ξ为常数；

25、其中，将均方根绘制在lnσ(τ)-ln(τ)坐标平面中，进行无标度区间识别和线性拟合，得到拟合直线的斜率α，则烧蚀表面分形维数df为：

26、df＝2-α

27、其中烧蚀表面分形维数df值的变化范围为：1<df<2；

28、s4-2、计算电弧形态分布参数与表面分形维数df的关系，建立电弧烧蚀损伤表面分形模型，电弧形态分布参数，包括电弧形态分形维数均值μd和标准差σd。

29、其中，采用电弧形态分形维数均值μd，电弧形态分形维数标准差σd、电弧能量e、电流i这4个主要影响因素作为回归方程的自变量，烧蚀表面分形维数df作为因变量，利用dps多元回归分析建立电弧烧蚀损伤表面分形模型，多元非线性回归模型为：

30、

31、式中，y为烧蚀表面分形维数df，x1为电弧能量en，x2和x3分别为电弧形态分布参数μd和σd，x4为电流i，m为回归模型的阶次；

32、s4-3、根据电弧烧蚀损伤表面分形模型与电弧表面烧蚀程度划分电弧烧蚀阶段，设定电弧烧蚀表面失效阈值。

33、进一步的，s5中载流磨损原始模型为：

34、

35、

36、其中，k1、k2、k3分别为滑动机械磨损、接触电阻焦耳热磨损和电弧烧蚀磨损模型的权重，α为机械磨损对电流的依赖系数、β为机械磨损对法向载荷的非线性依赖系数、i0为接触电流参考值、ic为试验接触电流测量值、f0为接触载荷参考值、fm为试验接触载荷测量值、v0为滑动速度参考值、v为试验滑动速度测量值、rc为滑动接触电阻、va为燃弧电压、u为离线率、h为材料硬度、hm为材料潜热、ρ为材料密度，并将离线率u引入载流磨损原始模型，u为离线率。

37、进一步的，s6具体包括：

38、s6-1、采用二维weierstrass-mandelbrot分形函数，简化接触模型，得到接触面积为a的微凸体粗糙性函数与微凸体顶端曲率半径：

39、

40、式中，z(x)为微凸体轮廓高度，l＝a1/2，为微凸体接触长度，df为电弧烧蚀表面分形维数，g为分形粗糙度，其中g的计算公式为：

41、

42、式中，θ为大于1的常数，n为尺度系数，数值为表面分形维数df的双对数曲线在进行线性拟合时，拟合直线在y轴上的截距；

43、微凸体顶端曲率半径r为：

44、

45、s6-2、利用hertz弹性接触理论，将微凸体顶端曲率半径、微凸体顶端变形量修正单个微凸体弹性变形的平均接触压力pa；

46、单个微凸体在弹性变形过程中的实际接触面积ae和接触载荷pe，计算公式为：

47、

48、式中，e为等效弹性模量，e1、e2为材料的弹性模量，ν1、ν2为材料的泊松比，δ为微凸体变形量，单个微凸体弹性变形的平均接触压力pa为：

49、

50、由上式可知，在x＝0处的微凸体顶端变形量与微凸体接触面积存在以下关系：

51、

52、将微凸体顶端曲率半径带入，修正单个微凸体弹性变形的平均接触压力：

53、

54、s6-3、计算并比较微凸体最大接触面积与临界接触面积，计算微凸体塑性和弹性变形接触面积和接触载荷；

55、引入摩擦力修正因子计算微凸体开始屈服的临界平均接触压力，摩擦力修正因子kf为：

56、

57、式中，f为摩擦系数，微凸体开始屈服的临界平均接触压力pc为：

58、pc＝1.1kfσy

59、式中，σy为较软材料的屈服强度；

60、结合pc和pa得到微凸体开始屈服的临界变形量δc为：

61、

62、式中，表示材料特性因数；

63、比较δc和δ的大小确定微凸体的接触变形性质，即：

64、

65、若δc＝δ，微凸体接触面积a为开始屈服的临界接触面积ac：

66、

67、载流摩擦表面中接触微凸体截面积分布函数表达式为：

68、

69、式中，al为微凸体最大接触面积，ψ为分布区域扩展因数：

70、

71、若al<ac时，微凸体均发生塑性形变，此时微凸体的塑性接触面积arp和接触载荷prp为：

72、

73、若al>ac时，微凸体部分发生塑性形变，另一部分发生弹性形变，此时微凸体的接触面积ar和接触载荷pr为：

74、

75、s6-4、基于分形维数的磨损率计算模型，与微凸体弹性接触面积和塑性接触面积，得出电弧烧蚀磨损率模型；

76、电弧烧蚀磨损部分的磨损率可以表示为：

77、

78、式中，ν为材料泊松比，γ为切应力对真实接触面积的影响系数，ke为弹性接触磨损系数，kp为塑性接触磨损系数，由于微凸体塑性接触比弹性接触引起的磨损要大得多，因此ke<<kp，通常ke<kp/10，且ke<10-3，弹性接触面积are和塑性接触面积arp分别为：

79、

80、将其带入公式得到电弧烧蚀磨损率nwrdh模型为：

81、

82、进一步的，s7具体包括：

83、s7-1、载流磨损过程中的接触载荷分为弹性接触载荷和塑性接触载荷，令接触载荷fm＝pr，即接触载荷fm为：

84、

85、

86、引入分形粗糙度g和磨损接触表面分形维数dq关于试验参考电流i0、参考滑动速度v0、参考接触载荷f0以及磨损时间tm的数学模型，模型如下：

87、

88、将其带入公式与机械磨损部分联合，得到滑动机械磨损率nwrjx模型；

89、s7-2、引入滑动接触电阻分形模型，该模型表达式为：

90、

91、式中，ρ1、ρ2为材料的电阻率，考虑到载流磨损过程中磨损表面形貌对接触电阻的影响，将分形粗糙度g和磨损接触表面分形维数dq代入，得到载流过程中的动态接触电阻值，再将其与焦耳热磨损部分联合，得到接触电阻焦耳热磨损率nwrdz模型。

92、进一步的，s8中电弧烧蚀载流磨损分形模型为：

93、

94、进一步的，s9中电弧形态分形维数的平均值与标准差越高，电弧烧蚀表面分形维数越低，电弧烧蚀损伤程度越高。

95、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：

96、(1)针对电弧产生时会对风电变桨滑环的检测设备造成的干扰，导致电弧功率难以测算的问题，利用数字图像处理技术提取了电弧形态特征，建立了电弧形态分形维数和电弧功率之间的函数关系方程；

97、(2)针对导电滑环载流磨损模型大多只考虑到了机械磨损和焦耳热磨损，忽略了电弧烧蚀磨损，导致磨损模型预测精度较低的问题，通过数据驱动与理论模型相结合的研究方法，采用逐步回归分析建立了电弧烧蚀损伤表面分形模型；

98、(3)为了进一步加强考虑电弧烧蚀磨损模型的准确度，考虑电弧参数、接触载荷、接触电阻对模型时变性的影响，结合粗糙表面分形接触模型和电接触理论，对原始模型进行修正，建立了考虑电弧烧蚀载流磨损分形模型，有效提高了工作效率，降低了运维成本，为大功率风电变桨滑环磨损预测提供了理论基础。