考虑不完全维修的石家庄风机齿轮箱优化检修策略

考虑不完全维修的风机齿轮箱优化检修策略

 石家庄风机厂 石家庄风机 石家庄市风机厂 石家庄风机维修 石家庄风机销售

摘要：齿轮箱是风电机组中维修费用最高的部件之一，针对齿轮箱的状态检修策略研究对降低设备维修费用、提高可靠度具有关键作用。针对风机齿轮箱不完全维修这一现状，提出了一种基于比例强度模型的优化检修策略。该方法利用监测到的齿轮箱振动数据、温度数据及历史维修数据建立比例强度模型，确定齿轮箱的强度函数；然后采用物理规划方法权衡最小维修费用和最大可靠度两个优化目标函数， 确定最优维修阈值， 并制定最优维修策略。 结合实际风电场故障数据和在线监测数据，对考虑不完全检修的优化检修策略进行仿真分析，结果验证了所提优化策略的有效性和合理性。
关键词：风机；齿轮箱；不完全维修；状态维修；比例强度模型；物理规划
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
风电机组的运行环境恶劣，如风速变化随机、外界温差变化大等，再加之风机自身制造工艺和技术发展不完善，这些不确定的因素导致风电机组的故障率较高，风电场后期运行维护费用居高不下。据统计，风电机组运行维护的费用约占整个发电成本的 25%~30% 。因此，为了降低风电机组寿命周期内维修费用，提高其可用性，风电机组的维修决策管理得到了广泛关注。目前，预防性维修和以可靠性为中心的维修广泛应用在维修决策中，这两种维修方式存在维修不足或维修过度的问题 [2-3] ； 而状态检修采用先进的状态监测和诊断技术对设备健康状况进行更加完善的评估，制定最优的检修策略。文献[4]针对风电机组的检修策略，对比分析了以可靠性为中心的检修和状态检修，并结合资本寿命周期分析，总结出合理的状态检修优于可靠性维修。随着越来越多的智能传感器被安装在风电机组上，监测数据获取更加便利，这为状态检修的发展奠定了基础。
作为风电机组传动系统的关键部件，齿轮箱的制造工艺已较为成熟，故障率并不高，然而一旦发生故障，其修复过程很复杂，造成风电机组停机时间最长 [2] 。因此，针对齿轮箱的状态检修对提高整个机组的可靠度、 降低总维修费用至关重要。 目前，针对状态检修的研究日益受到关注，Jardine等对状态检修中应用的数据处理、维修决策的模型、算法等问题做了全面的归纳总结，并分析了未来发展趋势 [5] ；Cox [6] 于 1972 年提出的时依性比例失效模型(Proportional Hazard Model, PHM)结合故障数据状态监测数据，可以在任何寿命时刻根据状态监测数据评估失效率。状态检修的模型还有隐式马尔科夫模型 [7-9] 、人工神经网络算法、组合神经网络模型和蒙特卡洛算法等  。 Amulya等将混合推理方法应用到齿轮箱的状态检修中，综合分析运行数据中的确定性数据和不确定性数据 [13] 。然而，现有文献中的状态检修大多针对的是完全维修，而在实际中由于风机齿轮箱完全维修的费用昂贵，故在其寿命周期内的维修活动属于不完全维修，即维修后设备状态处于更换新设备和维修前状态之间。针对复杂可修系统，Prentice、Williams和Peterson基于随机过程理论对Cox-PHM的进一步扩展，研究了针对重复失 效 可 修 系 统 的 比 例 强 度 模 型 (ProportionalIntensity Model，PIM)，常称为PWP-PIM模型 。
Jiang等本文在考虑不完全维修模式下采用比例强度模型研究齿轮箱的维修策略。模型不仅考虑了风机齿轮箱的状态监测数据，同时，也考虑了历史故障数据、维修类型等因素的影响。首先，利用风机齿轮箱的历史故障数据和在线监测数据建立比例强度模型；然后，利用物理规划方法，权衡维修费用最小和可靠度最大两者之间的矛盾，确定最优维修阈值，并制定最优维修策略；最后，针对实际风电场故障统计数据和状态监测数据进行仿真分析，结果验证了本文所提出的最优维修策略的正确性和有效性。
研究了比例强度模型在右结尾严重度、 失效类型等情况下的鲁棒性。
1 风机齿轮箱比例强度模型
1.1 风机齿轮箱的维修方式
针对风机齿轮箱这一复杂多部件可修系统而言，在寿命期限内发生故障，不需要对整个设备进行更换，而仅更换或维修部分部件，来维持所预定的功能，故在其整个寿命期内将发生多次故障及维修活动。根据维修类型和维修程度的不同，维修可
分为如下几种完全维修。指设备修复如新，如齿轮箱整机更换就属于完全维修。其维修因子：M =0。
（2）最小维修。指设备修复如旧，如齿轮箱零部件加固、润滑油更换等属于最小维修。其维修因子 M =1。
（3）不完全维修。指设备维修后，功能得以恢复，设备状态介于完全维修和最小维修之间。如齿轮箱零部件更换或维修属于不完全维修。其维修因子 0< M <1。
对于风机齿轮箱常见的故障，如轮齿损坏、轴承磨损等故障类型而言，通常仅对其部分部件进行更换或维修而不进行整机更换。故虽然其功能得以恢复，但其健康状态通常处于“修复如新”与“修复如旧”之间，即不完全维修(0<M<1)。因此，本文针对不完全维修建模研究维修活动与实际情况更加吻合。不完全维修对系统强度函数的影响如图1所示。
3 利用物理规划优化维修阈值
状态检修通常考虑设备的最大可靠度和最小维修费用两个目标，然而两者是相互矛盾的。若想得到最大可靠度需要耗费很高的维修费用，而若想实现最小维修费用则需降低对设备可靠度的要求。我们利用物理规划方法来研究状态检修目标的优化问题 [18]，以便确定出齿轮箱基于PIM模型实施维修决策的阈值 。该方法具有迭代次数少、鲁棒性强等优点。首先分别对维修费用和可靠度构造偏好函数 、Rf ，即对偏好进行数学量化；然后构造综合偏好函数( ) F x ，建立物理规划数学模型，应用优化算法求出满足最优维修阈值*v 。由于物理规划方法的灵活性，在实际应用中，当对风机齿轮箱维修费用和可靠度的要求发生变化时，即偏好区间边界值变化时，可应用物理规划方法重新确定出最优维修决策阈值。
4.3 维修决策
采用上述物理规划，计算出最优维修阈值v ，经仿真计算可得到维修决策优化控制限曲线如图8所示，实线为优化得到的控制限，虚线为其维修决策置信下限，点划线为维修决策置信上限。选取某型号风机齿轮箱在2008～2012年间的运行监测数据，应用维修决策图决定是否采取维修。将监测到的振动数据、温度数据和历史维修次数、维修因四个协变量经过回归系数的加权后在决策图中画点。如图8所示，当齿轮箱正常运行时，所描的点在曲线下方小范围内波动； 当齿轮箱即将发生故障时，所描的点在虚线上方，需立即采取维修。
5 结论
1）将不完全维修这一现状考虑到状态维修策略中，提出了基于比例强度模型的优化检修策略。该策略不仅反映了历史故障数据及在线监测数据对齿轮箱健康状况评估的影响，同时考虑了不完全维修的影响。
2）为了权衡维修费用和可靠度之间的矛盾关系，采用物理规划方法优化出合理的维修阈值。在实际应用中该方法可以根据对目标函数要求不同而重新优化维修阈值，应用更加灵活方便。
3）结合某一风电场的运行监测数据进行仿真分析， 结果验证了此优化检修策略的有效性和实用性，为检修人员决策是否实施检修提供了更加准确的判定依据，并为解决状态检修问题提供了一种新的研究思路。