風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承故障特征參數(shù)的確定

徐新庭，陳捷，王華，孫冬梅, 洪榮晶

(南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，南京 210009)

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備價格昂貴，使用環(huán)境惡劣，拆卸費用高，一旦出現(xiàn)故障可能產(chǎn)生巨額索賠，因而風(fēng)力發(fā)電機組要求壽命不小于20年，保用期5年[1]。轉(zhuǎn)盤軸承在設(shè)計、制造、安裝和使用過程中會產(chǎn)生各種故障，包括：滾動體及滾道點蝕磨損導(dǎo)致游隙增大，無油干摩擦，保持架碎裂，滾動體及滾道嚴(yán)重磨損并出現(xiàn)凹坑，內(nèi)、外圈與上、下金屬結(jié)構(gòu)的連接螺栓松動，金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋等[2]。這些故障都可以通過振動表現(xiàn)出來，在實際使用過程中還會出現(xiàn)滾道潤滑脂溫度升高，驅(qū)動電動機功率增大等問題。但因風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承轉(zhuǎn)速低(1～26 r/min)、承載大(葉片和機艙的質(zhì)量達(dá)十幾噸)，對產(chǎn)生的振動不敏感，一些故障不易被發(fā)現(xiàn)[3]。

目前風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承故障診斷面臨的問題是[4]：(1) 軸承轉(zhuǎn)速很低，計算出來的故障頻率很低。而高通濾波器會將3 Hz以下的頻率濾掉，再加上環(huán)境噪聲的影響，使頻譜分析效果很差甚至無法進行；(2)每次故障沖擊的間隔較長，利用沖擊法很難準(zhǔn)確地檢測到故障信號；(3)由故障點產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)頻率較低，不能激勵起較高的頻率成分。

風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承通常只作小幅度往復(fù)回轉(zhuǎn)，許多場合長期處于靜止?fàn)顟B(tài)，同時承受復(fù)雜的交變載荷。因此其失效機理與普通軸承的滾動接觸疲勞不同，普通軸承的設(shè)計理論也不能夠很好地解決轉(zhuǎn)盤軸承的設(shè)計和質(zhì)量問題[5]。其故障診斷可借鑒的經(jīng)驗非常少，因此，如何解決這一問題已成為各國研究的熱點。根據(jù)文獻[6-10]介紹，世界各大知名企業(yè)都有自己的實驗室和試驗裝備，但始終處于技術(shù)封鎖階段，僅在廣告或網(wǎng)站發(fā)布與試驗相關(guān)的局部圖片。文獻[11-12]研究了平均摩擦力矩及滾道磨損量與壽命的關(guān)系。文獻[13]進行了港口轉(zhuǎn)盤軸承的故障診斷和試驗研究。文獻[14-15]研究了軋鋼低速重載轉(zhuǎn)盤軸承，采用應(yīng)力波和小波分析進行故障診斷。文獻 [16-17]在多年的試驗研究基礎(chǔ)上，對風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承的承載剛度、滾道磨損、啟動力矩、疲勞壽命及齒根強度等進行了研究，認(rèn)為風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承故障診斷檢測的參數(shù)主要有：軸承運轉(zhuǎn)圈數(shù)、滾道磨損量、振動加速度、摩擦力矩、滾道裂紋、潤滑脂溫度和驅(qū)動電動機功率等，但對表征風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承性能特征的參數(shù)指標(biāo)還需要結(jié)合試驗進行深入探討。

1 軸承疲勞壽命試驗

1.1 試驗裝置

如圖1所示，風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承綜合性能試驗裝置由機械部分、液壓系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。試驗裝置通過液壓油缸加載，可對軸承同時施加軸向力、徑向力和傾覆力矩，液壓電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸承旋轉(zhuǎn)，模擬軸承實際運行狀態(tài)。同時通過測試傳感器采集數(shù)據(jù)，并進行存儲和處理。

圖1 風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承綜合試驗裝置示意圖

1.2 檢測參數(shù)

轉(zhuǎn)盤軸承一旦發(fā)生故障，其振動、溫度、摩擦力矩、噪聲及齒根應(yīng)力等均會發(fā)生變化?？赏ㄟ^相應(yīng)的信號處理技術(shù)，從復(fù)雜的信號中提取出有用的、能夠表征軸承運行狀況的特征參量，通過分析這些特征參量實現(xiàn)對轉(zhuǎn)盤軸承的診斷。

摩擦力矩能夠體現(xiàn)風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承工作性能、功率消耗、壽命及安全性能，其主要來源于滾動體與滾道的接觸摩擦阻力，一般認(rèn)為，摩擦力矩主要由外加載荷引起[18]。當(dāng)轉(zhuǎn)盤軸承出現(xiàn)故障時，運行阻力將增大。鑒于轉(zhuǎn)盤軸承摩擦力矩的隨機性和復(fù)雜性，用理論分析的方法難以求得精確值，故可以通過試驗檢測轉(zhuǎn)盤軸承的摩擦力矩，并以此評估軸承的性能及運行狀況。

正常情況下轉(zhuǎn)盤軸承摩擦以發(fā)熱的形式消耗能量，轉(zhuǎn)盤軸承摩擦溫升受各運動副產(chǎn)生的熱量和室溫綜合的影響[19]。當(dāng)轉(zhuǎn)盤軸承開始運行時，由于摩擦跑合溫度上升，運行一段時間后，達(dá)到溫度平衡，滾道溫度的變化與環(huán)境溫度保持相對恒定。當(dāng)滾道出現(xiàn)剝落，鐵屑混入潤滑脂，球和溝道產(chǎn)生磨損，從而導(dǎo)致軸承摩擦力矩增大，引起發(fā)熱，使轉(zhuǎn)盤軸承溫升進一步增大。溫度升高容易導(dǎo)致軸承零件局部燒傷，破壞潤滑膜，加劇軸承磨損。因此，對轉(zhuǎn)盤軸承溫度進行監(jiān)測非常必要。

轉(zhuǎn)盤軸承振動分析是最有效的診斷手段[20-21]，根據(jù)以往的試驗結(jié)果[16-17]，轉(zhuǎn)盤軸承振動方向位于其軸向，靠近驅(qū)動電動機處。為了研究表征轉(zhuǎn)盤軸承運行情況的參數(shù)，對風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承溫升、摩擦力矩及振動加速度進行了檢測。試驗裝置傳感器布局如圖2所示，其中溫度傳感器置于安裝孔內(nèi)并與潤滑脂相接觸。

圖2 風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承試驗裝置傳感器布局

1.3 試驗軸承參數(shù)

針對某公司033.50.2410型風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承進行加速壽命試驗，試驗軸承參數(shù)為：溝道中心直徑2 410 mm，鋼球直徑50 mm，球數(shù)140個，接觸角45°，外齒齒數(shù)135個。該軸承為雙排四點接觸球軸承，外圈為齒圈，材料為42CrMo，鋼球材料為GCr15。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)100萬次以后則達(dá)到材料的理論疲勞極限，試驗中轉(zhuǎn)盤軸承最大轉(zhuǎn)速1.5 r/min，50%滿載，試驗共運行71.6天。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 故障特征

對試驗后的轉(zhuǎn)盤軸承進行分解，檢查鋼球及溝道損傷情況，內(nèi)、外圈軟帶位置出現(xiàn)剝落，其余溝道表面光滑，局部有少量輕微壓痕，未出現(xiàn)點蝕等其他破壞現(xiàn)象，鋼球無損傷。轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)溝道形貌如圖3所示。

圖3 疲勞試驗后的轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)溝道形貌

2.2 檢測參數(shù)分析

2.2.1 摩擦力矩趨勢分析

試驗軸承摩擦力矩的變化規(guī)律如圖4所示。由擬合曲線分析認(rèn)為，風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承運行之初為負(fù)游隙配合，此時摩擦阻力最大，隨著各部件之間的磨合，游隙增大，摩擦力矩相應(yīng)減小，56天時摩擦力矩達(dá)到最小，僅為8.096 kN·m。隨著溝道內(nèi)軟帶由于磨損出現(xiàn)點蝕，鐵屑進入潤滑脂中，導(dǎo)致摩擦增大，摩擦力矩上升。因此摩擦力矩可以作為判斷轉(zhuǎn)盤軸承溝道磨損情況的有效參數(shù)。如要進行實時判斷，需要建立數(shù)學(xué)模型進行定量評判。

圖4 摩擦力矩曲線圖及擬合曲線圖

2.2.2 潤滑脂溫升變化分析

潤滑脂溫升的變化趨勢及其擬合曲線如圖5所示。由圖5可以看出，溫升上下波動比較嚴(yán)重。

圖5 疲勞試驗中潤滑脂溫升曲線

分析認(rèn)為：在試驗初始的跑合階段，風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承為負(fù)游隙配合，摩擦阻力較大，產(chǎn)生的熱量也大，因而溫升呈增加趨勢；試驗到18天進入平穩(wěn)階段；試驗到30天后因游隙增大以及各部件的磨合，摩擦生熱減少，溫升呈減小趨勢；56天后溫升又開始增大，這可能是軸承溝道故障所致。所以潤滑脂溫升可以作為判斷轉(zhuǎn)盤軸承溝道是否產(chǎn)生故障的重要參數(shù)。

2.2.3 振動加速度變化分析

振動加速度時域曲線如圖6所示(圖中g(shù)為重力加速度)，風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承是負(fù)游隙配合，由于磨損的加劇，在運行初期振動比較大；隨著機械磨合，振動幅值緩慢下降；當(dāng)磨合完成，振動趨于平緩，振動幅值趨于穩(wěn)定；當(dāng)溝道產(chǎn)生故障或者磨損繼續(xù)加劇時，振動再次增加。從振動加速度包絡(luò)曲線(圖7)可以看出，其與力矩的變化規(guī)律有相似之處，先下降，再上升。

圖6 疲勞試驗的軸向加速度曲線

圖7 疲勞試驗的軸向加速度包絡(luò)線

2.2.4 聯(lián)合判斷

結(jié)合驅(qū)動摩擦力矩、溝道潤滑脂溫升和振動包絡(luò)線進行的聯(lián)合判斷如圖8所示。

由圖8可知，摩擦力矩與溫度在56天上升的拐點是一致的，說明結(jié)合潤滑脂溫升和摩擦力矩的趨勢圖可以確定溝道故障產(chǎn)生的時間。

圖8 疲勞試驗參數(shù)的聯(lián)合判斷

為定性和定量分析上述試驗現(xiàn)象，需要建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀８鶕?jù)以上試驗數(shù)據(jù)，進行分段擬合，摩擦力矩與時間的擬合公式為

(1)

溝道潤滑脂溫升與時間的擬合公式為

y=0.351x3-4.1x2+1.427x+16.021，

(2)

加速度的幅值包絡(luò)線與時間的擬合曲線公式為

y=0.000 001 3x2-0.000 1x+0.002 6。

(3)

從試驗數(shù)據(jù)的趨勢和擬合公式可以得出以下判斷條件：

試驗初期(磨合階段)摩擦力矩曲線斜率為負(fù)，潤滑脂溫升曲線斜率為正，加速度上包絡(luò)線斜率為負(fù)；

試驗中期(平穩(wěn)階段)摩擦力矩曲線斜率為負(fù)，潤滑脂溫升曲線斜率為負(fù)，加速度上包絡(luò)線斜率趨于零；

試驗后期(故障出現(xiàn)階段)摩擦力矩曲線斜率為正，潤滑脂溫升曲線斜率為正，加速度上包絡(luò)線斜率為正。

3 結(jié)束語

通過對試驗軸承潤滑脂溫升、摩擦力矩和加速度的數(shù)據(jù)分析和曲線擬合可知，當(dāng)摩擦力矩、潤滑脂溫升的擬合曲線和振動加速度上包絡(luò)線的一階導(dǎo)數(shù)都為正時，表明風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承溝道出現(xiàn)故障。三者聯(lián)合判斷比單獨判定故障具有更高的可信度。如果要進行閾值判斷，需要積累多次試驗的結(jié)果，才能做出較為準(zhǔn)確的判斷。