考慮不完全維修的石家莊風(fēng)機(jī)齒輪箱優(yōu)化檢修策略

考慮不完全維修的風(fēng)機(jī)齒輪箱優(yōu)化檢修策略

 石家莊風(fēng)機(jī)廠 石家莊風(fēng)機(jī) 石家莊市風(fēng)機(jī)廠 石家莊風(fēng)機(jī)維修 石家莊風(fēng)機(jī)銷售

摘要：齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組中維修費(fèi)用最高的部件之一，針對(duì)齒輪箱的狀態(tài)檢修策略研究對(duì)降低設(shè)備維修費(fèi)用、提高可靠度具有關(guān)鍵作用。針對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱不完全維修這一現(xiàn)狀，提出了一種基于比例強(qiáng)度模型的優(yōu)化檢修策略。該方法利用監(jiān)測(cè)到的齒輪箱振動(dòng)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)及歷史維修數(shù)據(jù)建立比例強(qiáng)度模型，確定齒輪箱的強(qiáng)度函數(shù)；然后采用物理規(guī)劃方法權(quán)衡最小維修費(fèi)用和最大可靠度兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)， 確定最優(yōu)維修閾值， 并制定最優(yōu)維修策略。 結(jié)合實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)故障數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)考慮不完全檢修的優(yōu)化檢修策略進(jìn)行仿真分析，結(jié)果驗(yàn)證了所提優(yōu)化策略的有效性和合理性。
關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；齒輪箱；不完全維修；狀態(tài)維修；比例強(qiáng)度模型；物理規(guī)劃
Optimized maintenance strategy with imperfect repair for the gearbox of wind turbineKey words: wind turbine; gearbox; imperfect maintenance; condition based maintenance; proportional intensity model; physicalprogramming(State Key Laboatory of New Energy Power System, School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric PowerUniversity, Baoding 071003, China)Abstract: The study of condition-based maintenance strategy for the gearbox is crucial to reduce maintenance costs and improvereliability of equipment since its maintenance costs is one of the highest parts in wind turbine. In allusion to imperfect maintenance ofthe gearbox, an optimized maintenance strategy based on proportional intensity model (PIM) is proposed. The strategy builds the PIMbased on the monitoring data about gearbox vibration, temperature and historical maintenance, and obtains the intensity function ofgearbox; then the physical programming method, which is applied to deal with the tradeoff between the minimizing maintenancecosts and maxiizing reliability, is used to determine the optimized maintenance threshold and formulate the optimal maintenancestrategy. Finally, the optimized maintenance strategy with imperfect repair is simulated by using the actual failure data and onlinemonitoring data from wind power plant. The simulated results verify the effectiveness and rationality of the proposed maintenancestrategy for gearbox.

0 引言
風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境惡劣，如風(fēng)速變化隨機(jī)、外界溫差變化大等，再加之風(fēng)機(jī)自身制造工藝和技術(shù)發(fā)展不完善，這些不確定的因素導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的故障率較高，風(fēng)電場(chǎng)后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用居高不下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用約占整個(gè)發(fā)電成本的 25%~30% 。因此，為了降低風(fēng)電機(jī)組壽命周期內(nèi)維修費(fèi)用，提高其可用性，風(fēng)電機(jī)組的維修決策管理得到了廣泛關(guān)注。目前，預(yù)防性維修和以可靠性為中心的維修廣泛應(yīng)用在維修決策中，這兩種維修方式存在維修不足或維修過(guò)度的問題 [2-3] ； 而狀態(tài)檢修采用先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)對(duì)設(shè)備健康狀況進(jìn)行更加完善的評(píng)估，制定最優(yōu)的檢修策略。文獻(xiàn)[4]針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的檢修策略，對(duì)比分析了以可靠性為中心的檢修和狀態(tài)檢修，并結(jié)合資本壽命周期分析，總結(jié)出合理的狀態(tài)檢修優(yōu)于可靠性維修。隨著越來(lái)越多的智能傳感器被安裝在風(fēng)電機(jī)組上，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取更加便利，這為狀態(tài)檢修的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
作為風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，齒輪箱的制造工藝已較為成熟，故障率并不高，然而一旦發(fā)生故障，其修復(fù)過(guò)程很復(fù)雜，造成風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時(shí)間最長(zhǎng) [2] 。因此，針對(duì)齒輪箱的狀態(tài)檢修對(duì)提高整個(gè)機(jī)組的可靠度、 降低總維修費(fèi)用至關(guān)重要。 目前，針對(duì)狀態(tài)檢修的研究日益受到關(guān)注，Jardine等對(duì)狀態(tài)檢修中應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理、維修決策的模型、算法等問題做了全面的歸納總結(jié)，并分析了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) [5] ；Cox [6] 于 1972 年提出的時(shí)依性比例失效模型(Proportional Hazard Model, PHM)結(jié)合故障數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以在任何壽命時(shí)刻根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估失效率。狀態(tài)檢修的模型還有隱式馬爾科夫模型 [7-9] 、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和蒙特卡洛算法等  。 Amulya等將混合推理方法應(yīng)用到齒輪箱的狀態(tài)檢修中，綜合分析運(yùn)行數(shù)據(jù)中的確定性數(shù)據(jù)和不確定性數(shù)據(jù) [13] 。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)中的狀態(tài)檢修大多針對(duì)的是完全維修，而在實(shí)際中由于風(fēng)機(jī)齒輪箱完全維修的費(fèi)用昂貴，故在其壽命周期內(nèi)的維修活動(dòng)屬于不完全維修，即維修后設(shè)備狀態(tài)處于更換新設(shè)備和維修前狀態(tài)之間。針對(duì)復(fù)雜可修系統(tǒng)，Prentice、Williams和Peterson基于隨機(jī)過(guò)程理論對(duì)Cox-PHM的進(jìn)一步擴(kuò)展，研究了針對(duì)重復(fù)失 效 可 修 系 統(tǒng) 的 比 例 強(qiáng) 度 模 型 (ProportionalIntensity Model，PIM)，常稱為PWP-PIM模型 。
Jiang等本文在考慮不完全維修模式下采用比例強(qiáng)度模型研究齒輪箱的維修策略。模型不僅考慮了風(fēng)機(jī)齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)，也考慮了歷史故障數(shù)據(jù)、維修類型等因素的影響。首先，利用風(fēng)機(jī)齒輪箱的歷史故障數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立比例強(qiáng)度模型；然后，利用物理規(guī)劃方法，權(quán)衡維修費(fèi)用最小和可靠度最大兩者之間的矛盾，確定最優(yōu)維修閾值，并制定最優(yōu)維修策略；最后，針對(duì)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的最優(yōu)維修策略的正確性和有效性。
研究了比例強(qiáng)度模型在右結(jié)尾嚴(yán)重度、 失效類型等情況下的魯棒性。
1 風(fēng)機(jī)齒輪箱比例強(qiáng)度模型
1.1 風(fēng)機(jī)齒輪箱的維修方式
針對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱這一復(fù)雜多部件可修系統(tǒng)而言，在壽命期限內(nèi)發(fā)生故障，不需要對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行更換，而僅更換或維修部分部件，來(lái)維持所預(yù)定的功能，故在其整個(gè)壽命期內(nèi)將發(fā)生多次故障及維修活動(dòng)。根據(jù)維修類型和維修程度的不同，維修可
分為如下幾種完全維修。指設(shè)備修復(fù)如新，如齒輪箱整機(jī)更換就屬于完全維修。其維修因子：M =0。
（2）最小維修。指設(shè)備修復(fù)如舊，如齒輪箱零部件加固、潤(rùn)滑油更換等屬于最小維修。其維修因子 M =1。
（3）不完全維修。指設(shè)備維修后，功能得以恢復(fù)，設(shè)備狀態(tài)介于完全維修和最小維修之間。如齒輪箱零部件更換或維修屬于不完全維修。其維修因子 0< M <1。
對(duì)于風(fēng)機(jī)齒輪箱常見的故障，如輪齒損壞、軸承磨損等故障類型而言，通常僅對(duì)其部分部件進(jìn)行更換或維修而不進(jìn)行整機(jī)更換。故雖然其功能得以恢復(fù)，但其健康狀態(tài)通常處于“修復(fù)如新”與“修復(fù)如舊”之間，即不完全維修(0<M<1)。因此，本文針對(duì)不完全維修建模研究維修活動(dòng)與實(shí)際情況更加吻合。不完全維修對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)度函數(shù)的影響如圖1所示。
3 利用物理規(guī)劃優(yōu)化維修閾值
狀態(tài)檢修通常考慮設(shè)備的最大可靠度和最小維修費(fèi)用兩個(gè)目標(biāo)，然而兩者是相互矛盾的。若想得到最大可靠度需要耗費(fèi)很高的維修費(fèi)用，而若想實(shí)現(xiàn)最小維修費(fèi)用則需降低對(duì)設(shè)備可靠度的要求。我們利用物理規(guī)劃方法來(lái)研究狀態(tài)檢修目標(biāo)的優(yōu)化問題 [18]，以便確定出齒輪箱基于PIM模型實(shí)施維修決策的閾值 。該方法具有迭代次數(shù)少、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。首先分別對(duì)維修費(fèi)用和可靠度構(gòu)造偏好函數(shù) 、Rf ，即對(duì)偏好進(jìn)行數(shù)學(xué)量化；然后構(gòu)造綜合偏好函數(shù)( ) F x ，建立物理規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用優(yōu)化算法求出滿足最優(yōu)維修閾值*v 。由于物理規(guī)劃方法的靈活性，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱維修費(fèi)用和可靠度的要求發(fā)生變化時(shí)，即偏好區(qū)間邊界值變化時(shí)，可應(yīng)用物理規(guī)劃方法重新確定出最優(yōu)維修決策閾值。
4.3 維修決策
采用上述物理規(guī)劃，計(jì)算出最優(yōu)維修閾值v ，經(jīng)仿真計(jì)算可得到維修決策優(yōu)化控制限曲線如圖8所示，實(shí)線為優(yōu)化得到的控制限，虛線為其維修決策置信下限，點(diǎn)劃線為維修決策置信上限。選取某型號(hào)風(fēng)機(jī)齒輪箱在2008～2012年間的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用維修決策圖決定是否采取維修。將監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和歷史維修次數(shù)、維修因四個(gè)協(xié)變量經(jīng)過(guò)回歸系數(shù)的加權(quán)后在決策圖中畫點(diǎn)。如圖8所示，當(dāng)齒輪箱正常運(yùn)行時(shí)，所描的點(diǎn)在曲線下方小范圍內(nèi)波動(dòng)； 當(dāng)齒輪箱即將發(fā)生故障時(shí)，所描的點(diǎn)在虛線上方，需立即采取維修。
5 結(jié)論
1）將不完全維修這一現(xiàn)狀考慮到狀態(tài)維修策略中，提出了基于比例強(qiáng)度模型的優(yōu)化檢修策略。該策略不僅反映了歷史故障數(shù)據(jù)及在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齒輪箱健康狀況評(píng)估的影響，同時(shí)考慮了不完全維修的影響。
2）為了權(quán)衡維修費(fèi)用和可靠度之間的矛盾關(guān)系，采用物理規(guī)劃方法優(yōu)化出合理的維修閾值。在實(shí)際應(yīng)用中該方法可以根據(jù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)要求不同而重新優(yōu)化維修閾值，應(yīng)用更加靈活方便。
3）結(jié)合某一風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析， 結(jié)果驗(yàn)證了此優(yōu)化檢修策略的有效性和實(shí)用性，為檢修人員決策是否實(shí)施檢修提供了更加準(zhǔn)確的判定依據(jù)，并為解決狀態(tài)檢修問題提供了一種新的研究思路。