考慮不完全維修的風機齒輪箱優(yōu)化檢修策略

摘要：齒輪箱是風電機組中維修費用最高的部件之一，針對齒輪箱的狀態(tài)檢修策略研究對降低設備維修費用、提高可靠度具有關鍵作用。針對風機齒輪箱不完全維修這一現(xiàn)狀，提出了一種基于比例強度模型的優(yōu)化檢修策略。該方法利用監(jiān)測到的齒輪箱振動數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)及歷史維修數(shù)據(jù)建立比例強度模型，確定齒輪箱的強度函數(shù)；然后采用物理規(guī)劃方法權衡最小維修費用和最大可靠度兩個優(yōu)化目標函數(shù)， 確定最優(yōu)維修閾值， 并制定最優(yōu)維修策略。 結合實際風電場故障數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對考慮不完全檢修的優(yōu)化檢修策略進行仿真分析，結果驗證了所提優(yōu)化策略的有效性和合理性。
關鍵詞：風機；齒輪箱；不完全維修；狀態(tài)維修；比例強度模型；物理規(guī)劃

Optimized maintenance strategy with imperfect repair for the gearbox of wind turbineZHAO Hong-shan, ZHANG Xing-ke, GUO WeiThis work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51077053 and No. 51277074).Key words: wind turbine; gearbox; imperfect maintenance; condition based maintenance; proportional intensity model; hysicalprogramming(State Key Laboratory 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 maximizing 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
風電機組的運行環(huán)境惡劣，如風速變化隨機、外界溫差變化大等，再加之風機自身制造工藝和技術發(fā)展不完善，這些不確定的因素導致風電機組的故障率較高，風電場后期運行維護費用居高不下。據(jù)統(tǒng)計，風電機組運行維護的費用約占整個發(fā)電成本的 25%~30% [1]。因此，為了降低風電機組壽命周期內維修費用，提高其可用性，風電機組的維修決策管理得到了廣泛關注。目前，預防性維修和以可靠性為中心的維修廣泛應用在維修決策中，這兩種維修方式存在維不足或維修過度的問題 [2-3] ； 而狀態(tài)檢修采用先進的狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術對設備健康狀況進行更加完善的評估，制定最優(yōu)的檢修策略。文獻[4]針對風電機組的檢修策略，對比分析了以可靠性為中心的檢修和狀態(tài)檢修，并結合資本壽命周期分析，總結出合理的狀態(tài)檢修優(yōu)于可靠性維修。隨著越來越多的智能傳感器被安裝在風電機組上，監(jiān)測數(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。
作為風電機組傳動系統(tǒng)的關鍵部件，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，其修復過程很復雜，造成風電機組停機時間最長 [2] 。因此，針對齒輪箱的狀態(tài)檢修對提高整個機組的可靠度、 降低總維修費用至關重要。 目前，針對狀態(tài)檢修的研究日益受到關注，Jardine等對狀態(tài)檢修中應用的數(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，并分析了未來發(fā)展趨勢 [5] ；Cox [6] 于 1972 年提出的時依性比例失效模型(Proportional Hazard Model, PHM)結合故障數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以在任何壽命時刻根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)評估失效率。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)絡算法、組合神經(jīng)網(wǎng)絡模型和蒙特卡洛算法等 [10-12] 。 Amulya等將混合推理方法應用到齒輪箱的狀態(tài)檢修中，綜合分析運行數(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)有文獻中的狀態(tài)檢修大多針對的是完全維修，而在實際中由于風機齒輪箱完全維修的費用昂貴，故在其壽命周期內的維修活動屬于不完全修，即維修后設備狀態(tài)處于更換新設備和維修前狀態(tài)之間。針對復雜可修系統(tǒng)，Prentice、Williams和Peterson基于隨機過程理論對Cox-PHM的進一步擴展，研究了針對重復失 效 可 修 系 統(tǒng) 的 比 例 強 度 模 型 (Proportional
Intensity Model，PIM)，常稱為PWP-PIM模型 [6] 。
本文在考慮不完全維修模式下采用比例強度模型研究齒輪箱的維修策略。模型不僅考慮了風機齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時，也考慮了歷史故障數(shù)據(jù)、維修類型等因素的影響。首先，利用風機齒輪箱的歷史故障數(shù)據(jù)和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)建立比例強度模型；然后，利用物理規(guī)劃方法，權衡維修費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，針對實際風電場故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行仿真分析，結果驗證了本文所提出的最優(yōu)維修策略的正確性和有效性。研究了比例強度模型在右結尾嚴重度、 失效類型等情況下的魯棒性。