雙饋式風力發(fā)電機組發(fā)電機滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方法探究

張 巍，秦玉志，崔 瑞

（1.華能鎮(zhèn)賚風力發(fā)電有限公司，吉林 鎮(zhèn)賚 137300；2.長春畢博誠科技有限公司，長春 130015）

滾動軸承在雙饋式風力發(fā)電機組中應用廣泛，但其極易受運行工況影響而造成磨損，故發(fā)電機組的許多故障都與之有關。軸承的缺陷會導致設備產(chǎn)生異常振動及噪聲，往往造成突發(fā)的嚴重事故，如軸承保持架及軸承內(nèi)、外圈突然斷裂等，這些故障將造成轉子軸承抱死，重者導致機組發(fā)電機報廢，因此對滾動軸承進行正確的狀態(tài)監(jiān)測及診斷，就成為現(xiàn)代設備優(yōu)化管理及預知維修的一項重要的日常任務［1］。在實際監(jiān)測與診斷中，振動作為主要的監(jiān)測參數(shù)，通過時域和頻譜等振動分析方法的應用，能夠及早地預知滾動軸承狀態(tài)好壞，及時更換帶有運行缺陷的軸承，避免隱性故障擴大，提升設備運行可靠性，降低檢修維護成本，提高機組經(jīng)濟效益。

1 狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷模型

雙饋式風力發(fā)電機組由葉輪、齒輪箱和發(fā)電機三大部件組成。

在雙饋式風力發(fā)電機的振動分析中，時域分析所能提供的信息量是非常有限的，往往只能粗略地判斷機械設備是否有故障，有時也能得到故障的嚴重程度信息，但不能判斷故障發(fā)生的部位信息，故一般用作設備的簡易診斷。當分析故障類型、位置以及嚴重程度時，就需要對滾動軸承的振動信號進行頻譜分析，即根據(jù)頻譜圖中的頻率成分以及各有關頻率成分的幅值大小，并配合時域分析方法，從故障的嚴重程度、故障位置、故障類型著手，綜合地對滾動軸承的狀態(tài)進行監(jiān)測和全方位的故障診斷，提出合理的維護檢修建議。

頻譜分析是把以時間為橫坐標的時域信號通過傅立葉變換轉為以頻率為橫坐標的頻域信號，從而求得關于原時域信號頻率成分的幅值和相位信息的一種分析方法。表達式為：

式中：x（t）為時域信號（振動加速度、速度或位移等一切以時間t為自變量的函數(shù)）；X（f）為信號的頻域，是以頻率為自變量的函數(shù)［2］。

對滾動軸承進行振動診斷，通過頻譜分析找出不同元件的故障特征頻率，以此判斷滾動軸承的故障部位及其故障的嚴重程度。顯然，要實現(xiàn)對故障特征頻率的定位，就必須計算出各個元件的理論特征頻率。滾動軸承就其結構有4種故障頻率：保持架故障特征頻率fFTF、滾動體故障特征頻率fBSF、外圈故障特征頻率fBPFO和內(nèi)圈故障特征頻率fBPFI，公式分別為：

式中：D為軸承節(jié)徑，即軸承滾動體中心所在圓的直徑；d為滾動體的平均直徑；α為公稱接觸角，即滾動體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線的夾角；Z為滾動體的個數(shù)；fr為軸回轉頻率（fr＝N／60，N為軸承所在軸的轉速）。

2 滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷實例

2.1 振動監(jiān)測與分析診斷系統(tǒng)

基于上述狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷模型建立振動監(jiān)測與分析診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)由速度傳感器、動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡和微型計算機（包括監(jiān)測、通訊、分析和診斷軟件）所組成，也稱為T－C－PC 機械故障巡檢系統(tǒng)［3］，其中動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡與微型計算機通過USB接口連接。

2.2 設備主要參數(shù)及故障頻率

某風力發(fā)電企業(yè)安裝風力發(fā)電機組66臺，總裝機容量99 MW，其中安裝帶有齒輪箱的雙饋式風力發(fā)電機組55臺，裝機容量82.5 MW，占總裝機容量83.3%，發(fā)電機主要有4種型號，其主要技術參數(shù)：額定電壓690 V；額定功率1 500kW；額定轉速1 800r／min。發(fā)電機對應的軸承型號見表1。

表1 發(fā)電機對應的軸承型號

發(fā)電機驅動端和非驅動端共使用三種型號的滾動軸承，根據(jù)軸承的幾何尺寸、公稱接觸角和滾動體個數(shù)能夠計算出其對應軸回轉頻率的內(nèi)圈故障特征頻率、外圈故障特征頻率、滾動體故障特征頻率和保持架故障特征頻率，不同軸承型號對應的故障特征頻率見表2。

2.3 測試參數(shù)選擇及測點布置

利用離線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)于2015年3月13、16、17、18日分別對雙饋式風力發(fā)電機組F4－H44、F4－H36、F1－H09、F5－H52和F5－H54號風機進行振動監(jiān)測。采用速度傳感器分別測量垂直和水平兩個方向的振動值，測點布置見圖1，根據(jù)現(xiàn)場振動情況，重點對發(fā)電機的驅動端（圖1中測點4）和發(fā)電機非驅動端（圖1中測點5）進行振動測試。

表2 軸承型號所對應的故障特征頻率 Hz

圖1 風機設備測點布置簡圖

2.4 測試分析及結果

發(fā)電機測試數(shù)據(jù)對比分析見表3，發(fā)現(xiàn)F4－H36號風機驅動端振動烈度非常大，驅動端垂直方向振動幅值為1.764 mm、驅動端水平方向振動幅值為0.591mm，同比超出另外4臺風機振動幅值5倍；F5－H54號風機發(fā)電機驅動端和非驅動端振動幅值相對較小。

表3 發(fā)電機測試數(shù)據(jù)對比分析結果

重點分析F4－H36 號風機驅動端振動數(shù)據(jù)，其主要運行工況為：軸實際轉速為1 706r／min，即軸回轉頻率為28.44Hz，輸出電壓690V，輸出功率為1 450kW。對F4－H36號風機發(fā)電機驅動端垂直方向、水平方向監(jiān)測的振動數(shù)據(jù)進行時域和頻譜分析，其垂直方向和水平方向時域圖見圖2a、2b，垂直方向和水平方向頻譜圖見圖3a、3b。圖3a和3b中有明顯的89.11Hz異常頻率及其諧波，分別為178.2 Hz、267.3Hz、356.4Hz、445.6Hz和534.7Hz，這與驅動端使用6326 軸承的外圈故障頻率89.1Hz非常接近，6326軸承在軸回轉頻率為28.44 Hz時，內(nèi)圈故障特征頻率、外圈故障特征頻率、滾動體故障特征頻率、保持架故障特征頻率分別為138.41 Hz、89.10Hz、62.48Hz、11.15Hz；圖2a和2b中也有89.1Hz的沖擊能量，該沖擊頻率也與89.1 Hz頻率相同。

圖2 F4－H36號風機驅動端時域圖

可見頻譜中有非常明顯的頻率值與6326軸承的外圈故障特征頻率及其倍頻相吻合的現(xiàn)象，診斷F4－H36號風機驅動端軸承存在外圈的嚴重損傷。

2015年3月25日對F4－H36號風機驅動端更換6326軸承，軸承外圈有明顯滾子壓痕，軸承損傷嚴重，證明診斷結論與實際情況相符合。軸承一側壓痕明顯，另一側壓痕較輕，說明軸承在工作時處于嚴重的偏載狀態(tài)，檢修更換軸承時應嚴格要求保證安裝精度，設備安裝精度的提高，能有效避免此類故障發(fā)生。

圖3 F4－H36號風機驅動端幅值譜

3 結束語

通過上述分析，利用振動監(jiān)測與分析診斷系統(tǒng)，提出了基于滾動軸承故障特征頻率的頻譜分析方法。經(jīng)過實踐證明其效果顯著、易行，確保機組的平穩(wěn)運行，避免重大事故發(fā)生，降低故障停機次數(shù)，縮短故障停機時間，節(jié)約檢修成本，從根本上增加了機組的經(jīng)濟效益。

［1］陳姍姍，李鋼燕，何立波.滾動軸承現(xiàn)場故障診斷實用方法［J］.軸承，2008，（5）：39－42.

［2］楊國安.滾動軸承故障診斷實用技術［M］.北京：中國石化出版社，2012.

［3］李建華.在線設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的應用［J］.石油化工設備報，2010，39（3）：73－75.