風(fēng)機(jī)軸承故障監(jiān)測和診斷

葉 盛 李 龍 胡旭馗

南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部 湖南株洲市

一、概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承，電機(jī)主軸軸承運行狀態(tài)是否正常，往往直接影響到整臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能，如精度、可靠性、壽命等。統(tǒng)計表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)大約有30%的機(jī)械故障都是滾動軸承引起的，采用故障監(jiān)測與診斷技術(shù)后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)事故發(fā)生率可降低75%，維修費用可減少25%～50%；采用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，可了解軸承的運行狀態(tài)及早發(fā)現(xiàn)潛在故障。對可能出現(xiàn)的故障提出預(yù)測、估計、判斷，可以有效提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行管理水平及維修效能。

二、滾動軸承的失效形式

1.疲勞失效

滾動軸承的內(nèi)外滾道和滾動體交替進(jìn)入和退出承載區(qū)域，這些部件因長時間承受交變載荷的作用，首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力處產(chǎn)生疲勞裂紋，繼而擴(kuò)展到接觸表面在表層產(chǎn)生點狀剝落，逐步發(fā)展到大片剝落，稱之為疲勞剝落。疲勞剝落往往是滾動軸承失效的主要原因，一般所說的軸承壽命就是指軸承的疲勞壽命。

2.磨損失效

由于滾道和滾動體的相對運動和塵埃異物引起表面磨損，潤滑不良會加劇磨損，結(jié)果使軸承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了軸承運轉(zhuǎn)精度，因而也降低了機(jī)器的運動精度，表現(xiàn)為振動水平及噪聲的增大。

3.腐蝕失效

水分或酸、堿性物質(zhì)直接侵入會引起軸承銹蝕。當(dāng)軸承內(nèi)部有軸電流通過時，在滾道和滾動體的接觸點處引起電火花而產(chǎn)生電蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。

4.斷裂失效

當(dāng)軸承所受載荷、振動過大時，內(nèi)外圈的缺陷位置在滾動體的反復(fù)沖擊下，缺陷逐步擴(kuò)展而斷裂。

5.壓痕失效

壓痕失效主要是由于滾動軸承受負(fù)荷后，在滾動體和滾道接觸處產(chǎn)生塑性變形。過量時在滾道表面形成塑性變形凹坑。裝配不當(dāng)，或裝配敲擊也會造成壓痕失效。

6.膠合失效

對于滾動軸承，當(dāng)滾動體在保持架內(nèi)被卡住或者潤滑不足、速度過高造成摩擦熱過大，使保持架的材料粘附到滾子上而形成膠合。其膠合狀為螺旋形污斑狀。還有的是由于安裝的初間隙過小，熱膨脹引起滾動體與內(nèi)外圈擠壓，致使在軸承的滾道中產(chǎn)生膠合和剝落。

三、滾動軸承的振動診斷

1.滾動軸承

診斷的目的可以及時、正確、有效地對風(fēng)力發(fā)電機(jī)各種異常狀態(tài)和故障狀態(tài)做出診斷、預(yù)防或消除故障，同時對設(shè)備的運行維護(hù)進(jìn)行必要的指導(dǎo)。確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運行中的可靠性、安全性和有效性。制定合理的檢（監(jiān)）測維修制度，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作時發(fā)揮最大的設(shè)計能力。在允許的條件下，充分挖掘設(shè)備潛力，延長風(fēng)力發(fā)電機(jī)的服役期限和使用壽命，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)全壽命周期費用。通過檢測監(jiān)視、故障分析、性能評估，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)修改結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計、合理制造及生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的控制，提供必要的依據(jù)。

2.故障診斷的任務(wù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷的基本任務(wù)包括：判斷設(shè)備的運行狀況；分析設(shè)備的故障原因；提供科學(xué)檢修的依據(jù)；降低設(shè)備維修和維護(hù)成本；提供決策信息，保證生產(chǎn)安全；工程竣工驗收與質(zhì)量檢驗。

3.故障診斷的主要步驟

（1）信號采集。風(fēng)力發(fā)電機(jī)劣化或發(fā)生故障后，會伴隨各種狀態(tài)信號出現(xiàn)，它們是故障信息的載體。所以，采集包含異?；蚬收闲畔⒌臓顟B(tài)信號是設(shè)備診斷技術(shù)的首要環(huán)節(jié)。采用合適的傳感器和測量方法來采集信號十分重要。

（2）信息處理。在采集設(shè)備有用信息的時候，很多干擾信號也會被采集，會使那些有用信號變的不明顯或雜亂無章。如何去除干擾，使有用信號突出表現(xiàn)出來，這就是信息處理的任務(wù)。

（3）故障識別。得到了有用的設(shè)備信息后，需要經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)或樣板模式進(jìn)行對比，才能確定或判斷設(shè)備處于何種狀態(tài)。這一過程需要以識別技術(shù)作為理論基礎(chǔ)。在簡易診斷中可以參照某些標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 2373、VDI 3834，加上運用已有的知識和經(jīng)驗，即可做出判斷。在精密診斷中，必須通過計算機(jī)技術(shù)和各種分析技術(shù)，提取故障特征信號來對設(shè)備狀態(tài)做出判斷。

（4）預(yù)報技術(shù)。主要是對風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的發(fā)展趨勢和剩余壽命進(jìn)行預(yù)報。這對避免設(shè)備事故和減少損失是非常有意義的，目前可以使用的方法主要有線性回歸、主觀概率法等。

4.信號分析方法

（1）時域分析。指隨時間變化的物理量。通過監(jiān)測時域波形，可以發(fā)現(xiàn)波形是否畸變，同時可以分析信號的周期、幅值和平穩(wěn)性等特征。峰值和有效值是時域分析的兩個關(guān)鍵參數(shù)。

（2）包絡(luò)分析。包絡(luò)分析就是提取載附在高頻信號上的低頻信號，從時域上看，為取時域波形的包絡(luò)軌跡。像具有齒輪、軸承等零部件的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷常常用到包絡(luò)分析。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承零部件有點蝕、剝落等損傷類故障時，伴隨設(shè)備運轉(zhuǎn)這些故障會產(chǎn)生周期性脈沖沖擊力，激起設(shè)備的各階固有振動。選擇沖擊激起的高頻固有振動為研究對象。

5.傳感器的安裝

（1）傳感器的安裝方式：剛性螺栓安裝；絕緣螺栓家云母墊片；永久磁鐵；手持探針；薄蠟層粘接；粘結(jié)劑。各種安裝方式對頻率響應(yīng)的影響見圖1。

圖1 各種安裝方式對頻率響應(yīng)的影響

（2）傳感器的安裝原則。安全第一、傳遞路徑最短、傳遞剛性最大；確保傳感器連接牢固；表面平整，出去表面的碎片、塵土和成片的油漆；確信傳感器安裝方向正確；在不同時刻安裝的位置相同；在堅硬的物體上安裝加速度計。

6.滾動軸承故障分析

保持架故障頻率FTF=（1/2）{No［1+（d/D）cosφ]+Ni［1-（d/D）cosφ]}

滾動體旋轉(zhuǎn)故障頻率 BSF=（1/2）（D/d）|No-Ni|{[1-（d/D）cosφ]2}

外環(huán)故障頻率 BPFO=（1/2）n|No-Ni|[1-（d/D）cosφ]

內(nèi)環(huán)故障頻率 BPFi=（1/2）)n|Ni-No|[1+（d/D）cosφ］

其中d滾動體直徑；D滾動軸承平均直徑（滾動體中心處直徑)；φ徑向方向接觸角；n=滾動體數(shù)目；No=軸承外環(huán)角速度；Ni=軸承內(nèi)環(huán)角速度（=軸轉(zhuǎn)速）。

（1）外圈出現(xiàn)故障時的特征頻譜（圖2）。

圖2 外圈出現(xiàn)故障時的特征頻譜

（2）內(nèi)圈出現(xiàn)故障時的特征頻譜（圖3）。

（3）滾動體出現(xiàn)故障時的特征頻譜（圖4）。

圖3 內(nèi)圈出現(xiàn)故障的特征頻譜

圖4 滾動體出現(xiàn)故障時的特征頻譜

四、可診斷的典型故障類型

1.典型故障

（1）主軸承、齒輪箱損傷。轉(zhuǎn)軸偏心、不對中；齒輪齒面局部缺陷、輪齒沖擊；滾動軸承內(nèi)/外圈滾道故障、滾動體故障、保持架故障。

（2）發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、不對中、軸彎曲；滾動軸承內(nèi)/外圈滾道故障、滾動體故障、保持架故障、潤滑不良；電氣故障，如定子繞組問題。

2.軸承故障主要原因

（1）不平衡。不平衡是轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻造成的。不平衡的那部分質(zhì)量在轉(zhuǎn)動中會產(chǎn)生離心力，離心力隨著不平衡質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)而引起振動。振動再傳到軸承上，是軸承上的個點每旋轉(zhuǎn)一周承受一次作用力。不平衡分為靜不平衡（圖5）、偶不平衡（圖6）和動不平衡（圖7），動不平衡是靜不平衡與偶不平衡的組合。

圖5 靜不平衡圖

圖6 偶不平衡圖

圖7 動不平衡圖

（2）不對中。兩個相連接的機(jī)械軸線不平行或不重合，一個或多個軸承安裝傾斜或偏心，即為不對中（圖8）。造成不對中的原因可以是裝配不當(dāng)，調(diào)整不夠，基礎(chǔ)損壞，熱脹或聯(lián)軸節(jié)鎖死等。

圖8 不對中圖

聯(lián)軸器平行不對中（圖9），將產(chǎn)生2×轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的振動，即 2×。徑向振動大，1×、2×甚至 3×處有穩(wěn)定的高峰，特別 2×分量可能超過1×分量。徑向相位相差180°。

圖9 聯(lián)軸器平行不對中圖

綜合不對中（圖 10），軸向和徑向振動都很大，4×～10×分量明顯。

圖10 綜合不對中圖

（3）轉(zhuǎn)子軸彎曲（圖 11）。1×、2×軸向振動很大；2×徑向較大，甚至超過1×；軸承兩邊相位變化明顯，一般相差＞60°。

圖11 轉(zhuǎn)子軸彎曲圖

（4）機(jī)械松動（圖12、13）。機(jī)械松動分為結(jié)構(gòu)松動和轉(zhuǎn)動部件松動。造成機(jī)械松動的原因是：安裝不良、長期運行造成過度磨損、基礎(chǔ)或基座損壞和部件損壞等。特點是徑向振動大，特別是垂直方向振動大；振動具有高度的方向性；除基頻外，還有很大的倍頻分量，特別是3～10倍頻，可能伴有分?jǐn)?shù)頻。

圖12 機(jī)械松動時振動頻譜

滾動軸承松動，故障典型特征?？吹?×～10×分量（圖14）。

滾動軸承座松動，故障典型特征一般產(chǎn)生1×、2×、3×及0.5×分量，軸承座與基礎(chǔ)相位相反（圖15）。

圖13 機(jī)械松動時振動波形圖

圖14 滾動軸承松

圖15 滾動軸承座松動

圖16 結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)）松動

結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)）松動，故障典型特征是徑向產(chǎn)生式明顯的1×分量，對于臥式安裝的測定機(jī)器，垂直振動大于水平振動（圖16）。

五、總結(jié)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承，電機(jī)主軸軸承運行狀態(tài)是否正常，通過狀態(tài)監(jiān)測與故障，了解軸承的性能狀態(tài)并及早發(fā)現(xiàn)潛在故障；對可能出現(xiàn)的故障提出預(yù)測、估計、判斷，可以有效提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行管理水平及維修效能，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用壽命。