扭矩傳感器賦能風電行業提升設備可靠性與運維效率

來源：發布時間：2025-04-26

在風電行業，從葉輪旋轉到齒輪箱傳動，從變槳控制到發電機并網，扭矩與壓力的精細監測貫穿設備運行的全流程。扭矩傳感器作為旋轉動力系統的 “神經中樞”，與壓力傳感器形成互補，共同構建風電設備的安全運行屏障。

一、扭矩與壓力控制風電設備的**保障

在風電系統中，扭矩控制直接影響設備的傳動效率與安全性。例如，齒輪箱扭矩波動超過 ±5% 會導致齒輪嚙合異常，使設備故障率增加 20%；葉輪變槳系統的扭矩不均會造成葉片角度偏差，使發電量損失 15%。傳統機械扭矩控制依賴摩擦離合器或液壓制動器，穩定性*能達到 ±8%，而現代智能產線通過扭矩傳感器構建的閉環系統，可將扭矩波動精細控制在 ±0.5% 以內，使齒輪箱的使用壽命從 10 年延長至 15 年，發電量提升 12%。

壓力控制同樣至關重要。液壓系統壓力波動超過 ±10% 會導致偏航系統響應延遲，使風機對風偏差擴大至 ±5°；潤滑系統壓力不足會造成軸承磨損，使設備維護成本增加 30%。壓力傳感器通過實時監測液壓系統壓力，可將壓力波動控制在 ±2% 以內，確保偏航系統的響應時間從 3 秒縮短至 1 秒，潤滑系統的故障率降低 40%。

扭矩與壓力控制的協同作用體現在三個關鍵環節：

?傳動系統：扭矩傳感器監測齒輪箱輸出扭矩，壓力傳感器檢測液壓系統壓力，共同確保動力傳輸的穩定性；

?變槳系統：扭矩傳感器調整葉片角度，壓力傳感器控制液壓油缸推力，實現風能捕獲效率的優化；

?制動系統：扭矩傳感器監測剎車扭矩，壓力傳感器反饋制動油壓，保障緊急停機的可靠性。

二、扭矩傳感器與壓力傳感器的技術差異及協同應用

（一）技術原理與測量對象

?扭矩傳感器：基于應變片或磁致伸縮原理，通過彈性體形變感應旋轉軸的扭矩變化。例如應變片式傳感器，在扭矩作用下彈性體產生微米級形變，表面應變片因拉伸或壓縮導致電阻值變化，經惠斯通電橋轉換為電壓信號，精度可達 ±0.05% FS，適用于 0.1N?m 至 1000kN?m 的寬扭矩范圍。

?壓力傳感器：基于壓阻效應或壓電效應，測量氣體或液體的壓強。例如壓阻式傳感器，在壓力作用下硅膜片產生形變，導致電阻值變化，經信號調理電路轉換為標準電壓或電流信號，精度 ±0.2% FS，適用于 0.1MPa 至 100MPa 的寬壓力范圍。

（二）應用場景協同

扭矩傳感器是旋轉動力系統的 “扭矩標尺”，直接決定設備的傳動效率；壓力傳感器是流體動力系統的 “壓力閥門”，保障液壓、氣動系統的穩定運行。二者在風電設備中形成高效協同：扭矩傳感器監測齒輪箱扭矩以調整傳動比，壓力傳感器檢測液壓系統壓力以控制變槳速度，共同實現 “扭矩 - 壓力” 的雙重精細控制，確保設備運行的穩定性與安全性。

三、適配風電行業的扭矩傳感器技術類型

1. 應變片式扭矩傳感器：中低速傳動的穩定選擇

基于電阻應變原理，應變片式傳感器采用合金鋼彈性體，表面粘貼高精度應變片，通過全橋電路實現扭矩信號轉換。其成本適中、響應速度快（0.1ms 級），適用于齒輪箱、發電機等中低速設備。在某 2MW 風電機組中，該傳感器實時監測齒輪箱輸出扭矩，通過 PLC 系統動態調整液壓制動器的制動力矩，使齒輪箱的振動幅度從 ±0.5mm 降至 ±0.2mm，有效避免因共振導致的齒輪磨損。

2. 磁彈性式扭矩傳感器：惡劣環境的耐用選擇

利用鐵基合金的磁致伸縮效應，此類傳感器在扭矩作用下內部磁路發生變化，通過感應線圈輸出與扭矩成正比的電壓信號。其抗振動、耐潮濕（RH>90%）、耐高溫（150℃穩定工作）的特性，使其成為海上風電、高海拔風電等高惡劣環境的理想選擇。在某海上風電場中，磁彈性式傳感器監測主軸扭矩，配合鹽霧防護涂層，將傳感器在海洋環境中的使用壽命從 2 年延長至 5 年，***降低設備維護成本。

3. 光纖式扭矩傳感器：精密控制的高精度方案

基于光纖布拉格光柵技術，光纖式傳感器在扭矩作用下使光纖光柵發生軸向應變，引起反射光波長漂移，通過解調儀實現精細測量。其抗電磁干擾、本質安全、體積小（直徑* 0.5mm）的優勢，特別適合葉片變槳、偏航系統等精密場景。在某 5MW 風電機組中，分布式光纖傳感器陣列以 500Hz 采樣頻率監測葉片扭矩，通過邊緣計算實時調整變槳角度，將葉片的疲勞壽命從 20 年延長至 25 年，滿足海上風電對設備可靠性的嚴苛要求。

四、典型風電場景深度解析

1. 齒輪箱健康監測的扭矩 - 振動協同優化

在某 3MW 風電機組的齒輪箱中，扭矩傳感器與振動傳感器協同工作，實時監測齒輪嚙合扭矩與振動信號。當檢測到扭矩波動超過 ±3% 或振動幅值超過 0.8mm 時，系統自動觸發預警并調整潤滑油流量，將齒輪箱的故障預警時間從 30 天提前至 72 小時，維護成本降低 40%。

2. 變槳系統的扭矩 - 壓力聯動控制

在某 6MW 海上風電機組的變槳系統中，扭矩傳感器以 800Hz 頻率監測葉片扭矩，壓力傳感器檢測液壓油缸壓力。當扭矩低于設定值時，系統立即觸發變頻器提高液壓泵轉速，將變槳響應時間從 5 秒縮短至 2 秒，同時將葉片角度偏差從 ±0.5° 控制在 ±0.1°，使發電量提升 8%。

3. 制動系統的扭矩 - 壓力安全冗余

在某 10MW 風電機組的制動系統中，扭矩傳感器與壓力傳感器形成雙重冗余監測。當檢測到剎車扭矩低于設定值或制動油壓低于 8MPa 時，系統自動啟動備用液壓回路，將緊急停機時間從 10 秒縮短至 3 秒，確保設備在工況下的安全性。

五、技術挑戰與創新方向

1. 工況適應性技術突破

針對風電行業的高濕（如海上風電）、高鹽霧（如沿海風電場）、高頻振動（如齒輪箱）環境，未來將聚焦：

?抗腐蝕封裝技術：采用納米陶瓷涂層處理傳感器表面，將鹽霧環境下的腐蝕速率降低 50%，適配海上風電的嚴苛環境；

?微型化抗振設計：優化傳感器內部結構，將振動影響導致的測量誤差從 ±1.5% 降至 ±0.5%，滿足高速旋轉設備的高頻振動需求。