風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承故障特征分析與應(yīng)用

李 超

（華電內(nèi)蒙古開魯風(fēng)電有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承故障特征分析與應(yīng)用

李 超

（華電內(nèi)蒙古開魯風(fēng)電有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的軸承故障類型、故障機(jī)理以及信號(hào)特征后，利用所述的軸承故障信號(hào)特征成功的驗(yàn)證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承損傷的案例。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；軸承故障診斷；故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；信號(hào)特征

風(fēng)力發(fā)電具有成分低、清潔無(wú)污染、建設(shè)周期短和占地面積小等優(yōu)勢(shì)，目前已成為全球發(fā)展最快的可再生能源。為了獲取充分的風(fēng)資源，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)立在沙漠、高山等比較空曠的地方，長(zhǎng)期工作于野外、暴曬和雷雨等惡劣環(huán)境之中，導(dǎo)致機(jī)組的損壞率高達(dá)40%～50%，若故障發(fā)現(xiàn)與維修不及時(shí)，不僅帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損傷，更有可能造成重大事故。因此，在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的同時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)控也有著日益迫切的需求。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承的故障機(jī)理與特征

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，軸承是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)的主要部件，軸承損傷嚴(yán)重，將直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)失效。本論文主要討論滾動(dòng)軸承的故障診斷。

按照軸承損傷部位分類，軸承故障可分為內(nèi)圈故障、外圈故障、保持架故障以及滾動(dòng)體故障。

在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)軸承存在缺陷時(shí)，會(huì)形成激振力，當(dāng)不同軸承部位存在損傷時(shí)，軸承產(chǎn)生的激振力會(huì)呈現(xiàn)不同的頻率特征，稱為軸承特征頻率，軸承特征頻率是軸承故障診斷的關(guān)鍵依據(jù)。軸承各特征頻率有理論計(jì)算公式如下。

軸承內(nèi)圈特征頻率：

BPFI為軸承內(nèi)圈特征頻率，BPI為軸承內(nèi)圈特征系數(shù)。BPI物理定義：軸承旋轉(zhuǎn)一圈，軸承內(nèi)圈上的某一損傷點(diǎn)與滾動(dòng)體接觸的次數(shù)。

軸承外圈特征頻率：

BPFO為軸承外圈特征頻率，BPO為軸承外圈特征系數(shù)。BPO物理定義：軸承旋轉(zhuǎn)一圈，軸承外圈上的某一損傷點(diǎn)與滾動(dòng)體接觸的次數(shù)。

軸承滾動(dòng)體特征頻率：

BSF1為軸承單倍滾動(dòng)體特征頻率，BS1為軸承單倍滾動(dòng)體特征系數(shù)。BS1物理定義：軸承旋轉(zhuǎn)一周，滾動(dòng)體上的某一損傷點(diǎn)與軸承內(nèi)圈或外圈接觸的次數(shù)。單倍滾動(dòng)體特征多出現(xiàn)在球軸承損傷的情況。

BSF2為軸承兩倍滾動(dòng)體特征頻率，BS2為軸承兩倍滾動(dòng)體特征系數(shù)。BS2物理定義：軸承旋轉(zhuǎn)一周，滾動(dòng)體上的某一損傷點(diǎn)與軸承內(nèi)圈和外圈接觸的總次數(shù)。兩倍滾動(dòng)體特征頻率多出現(xiàn)在柱軸承損傷的情況。

軸承保持架特征頻率：

FT F為軸承保持架特征頻率，F(xiàn)T為軸承保持架特征系數(shù)。FT物理定義：軸承旋轉(zhuǎn)一圈，保持架上的某一損傷點(diǎn)相對(duì)于外圈旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。

上述軸承特征頻率計(jì)算公式中，d——軸承滾動(dòng)體直徑；D——軸承的節(jié)圓直徑；N——軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；α——軸承接觸角；n——軸承所在軸的旋轉(zhuǎn)頻率。

在實(shí)際診斷工作中，除了滾動(dòng)體個(gè)數(shù)之外，很難獲取軸承部件的尺寸參數(shù)，但商家會(huì)提供各類軸承型號(hào)對(duì)應(yīng)的軸承特征系數(shù)，因此可通過(guò)軸承特征系數(shù)以及當(dāng)前軸承所在軸轉(zhuǎn)頻計(jì)算得到軸承的各個(gè)特征頻率。其中，調(diào)制現(xiàn)象存在于軸承損傷的過(guò)程中，且以調(diào)幅現(xiàn)象居多。掌握調(diào)制原理，能幫助我們更好的理解軸承的故障特征。調(diào)幅是指高頻載波信號(hào)的振幅隨低頻調(diào)制信號(hào)振幅的瞬時(shí)變化而變化。被調(diào)制的信號(hào)的頻譜顯示以載波信號(hào)頻率作為中心頻率，攜帶調(diào)制信號(hào)頻率的邊帶特征。

1.軸承內(nèi)圈故障特征

當(dāng)軸承內(nèi)圈存在損傷時(shí)，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，內(nèi)圈的損傷部位與滾動(dòng)體會(huì)產(chǎn)生接觸，由于載荷的作用，內(nèi)圈損傷部位與滾動(dòng)體之間會(huì)產(chǎn)生沖擊。在軸承旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)，內(nèi)圈損傷部位會(huì)與BPI個(gè)滾動(dòng)體接觸，即產(chǎn)生BPI次沖擊，且每次沖擊之間的時(shí)間間隔相等（圖1）。

圖1 軸承內(nèi)圈損傷的振動(dòng)波形

提取振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)，如圖2所示。

圖2 軸承內(nèi)圈損傷的振動(dòng)波形（帶包絡(luò)）

可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圈損傷對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)就是一種調(diào)幅信號(hào)，其中載波信號(hào)的頻率為BPFI，調(diào)制信號(hào)的頻率為n。從軸承的物理模型上解釋此調(diào)制現(xiàn)象：當(dāng)軸承內(nèi)圈損傷部位逐漸進(jìn)入負(fù)載區(qū)時(shí)，軸承所承受的載荷增大，內(nèi)圈與滾動(dòng)體之間的作用力也增大，產(chǎn)生的沖擊也相對(duì)增大，當(dāng)內(nèi)圈的損傷部位逐漸遠(yuǎn)離負(fù)載區(qū)時(shí)，隨著負(fù)載的減小，沖擊也隨之減小。對(duì)應(yīng)的頻譜結(jié)構(gòu)：以軸承內(nèi)圈特征頻率為中心頻率，轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)頻率為邊帶（圖3）。

在實(shí)際內(nèi)圈損傷的頻譜中，隨著內(nèi)圈損傷嚴(yán)重程度的增加，會(huì)出現(xiàn)軸承內(nèi)圈特征頻率的諧波成分，且各內(nèi)圈諧波成分所攜帶的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻邊帶數(shù)量也會(huì)增多。

圖3 軸承內(nèi)圈損傷的頻譜結(jié)構(gòu)

2.軸承外圈故障特征

在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)軸承外圈存在損傷時(shí)，同樣地，外圈的損傷部位與滾動(dòng)體會(huì)產(chǎn)生沖擊，在軸承旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，會(huì)有BPO個(gè)滾動(dòng)體經(jīng)過(guò)外圈損傷位置，將產(chǎn)生BPO次沖擊，且每次沖擊之間的時(shí)間間隔相等（圖4）。

圖4 軸承外圈損傷的振動(dòng)波形

外圈損傷的沖擊信號(hào)無(wú)調(diào)制現(xiàn)象，原因是軸承外圈一般處于固定狀態(tài)，即外圈的損傷點(diǎn)位置是固定的，因此每次損傷點(diǎn)與滾動(dòng)體接觸時(shí)產(chǎn)生的沖擊，并沒(méi)有進(jìn)入負(fù)載區(qū)與遠(yuǎn)離負(fù)載區(qū)的區(qū)別。其對(duì)應(yīng)的頻譜成分為軸承外圈特征頻率及諧波。

3.軸承滾動(dòng)體故障特征

在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)軸承滾動(dòng)體存在損傷時(shí)，滾動(dòng)體的損傷部位會(huì)與軸承內(nèi)圈以及外圈產(chǎn)生沖擊。軸承每旋轉(zhuǎn)一周，滾動(dòng)體的損傷點(diǎn)將與軸承內(nèi)圈、外圈產(chǎn)生BS1或者BS2次沖擊，且每次沖擊之間的時(shí)間間隔相等。滾動(dòng)體安裝在保持架上，因此滾動(dòng)體將隨著保持架進(jìn)行公轉(zhuǎn)，滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間就是保持架旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間（圖5）。

圖5 軸承滾動(dòng)體損傷的振動(dòng)波形（球軸承）

提取滾動(dòng)體損傷產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)（圖6）。

由于滾動(dòng)體存在公轉(zhuǎn)，因此有進(jìn)入、遠(yuǎn)離負(fù)載區(qū)的狀況，與軸承內(nèi)圈損傷情況一樣，其中載波信號(hào)的頻率為BSF1，調(diào)制信號(hào)的頻率為FT F。

球軸承滾動(dòng)體損傷對(duì)應(yīng)的頻譜結(jié)構(gòu)為：以軸承單倍滾動(dòng)體特征頻率為中心頻率，保持架特征頻率為邊帶。

圖6 軸承滾動(dòng)體損傷的振動(dòng)波形包絡(luò)（球軸承）

4.軸承保持架故障特征

當(dāng)軸承保持架存在損傷時(shí)，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，每當(dāng)保持架的損傷部位運(yùn)行到負(fù)載區(qū)時(shí)，滾動(dòng)體會(huì)對(duì)保持架的損傷部位產(chǎn)生作用力，在振動(dòng)信號(hào)中會(huì)表現(xiàn)成等時(shí)間間隔的沖擊，時(shí)間間隔為1/FT F。相應(yīng)的頻譜成分為保持架特征頻率及諧波。

二、案例分析

以一次風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)軸承內(nèi)圈剝落案例進(jìn)行信號(hào)特征的分析。故障機(jī)組為1.5MW的雙饋機(jī)組，其發(fā)電機(jī)軸承信息如表1所示。

表1

對(duì)設(shè)備報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。報(bào)警時(shí)刻對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r/min，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)頻為30Hz，根據(jù)軸承信息表，我們可以計(jì)算出發(fā)電機(jī)軸承在報(bào)警時(shí)刻的各個(gè)特征頻率，具體如表2。

表2

波形呈現(xiàn)顯著的沖擊特征，且沖擊存在周期性，兩次大沖擊之間還存在許多幅值稍小的等時(shí)間間隔沖擊，為典型的調(diào)幅特征（圖7）。相鄰兩次大幅值沖擊之間的頻率間隔，大約為30Hz，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)頻。相鄰兩個(gè)密集沖擊之間的頻率間隔，為145.5Hz，經(jīng)查表發(fā)現(xiàn)，與發(fā)電機(jī)軸承的內(nèi)圈特征頻率吻合。根據(jù)振動(dòng)波形的特征分析，初步推斷發(fā)電機(jī)軸承內(nèi)圈存在損傷。報(bào)警數(shù)據(jù)的頻譜中存在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)頻（30Hz）的高能量成分，內(nèi)圈特征頻率145Hz及豐富的諧波。此特征與軸承內(nèi)圈損傷特征吻合（圖8）。且頻譜中，以內(nèi)圈特征頻率的3倍頻，攜帶了豐富的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)頻邊帶，此特征說(shuō)明軸承內(nèi)圈當(dāng)前損傷的嚴(yán)重程度偏重（圖9）。

圖7 報(bào)警時(shí)刻的時(shí)域波形

圖8 報(bào)警時(shí)刻的頻譜

圖9 報(bào)警時(shí)刻的頻譜（3倍內(nèi)圈特征頻率局部放大）

圖10 為現(xiàn)場(chǎng)檢修更換下來(lái)的故障軸承，內(nèi)圈上的剝落清晰可見，且面積較大，與信號(hào)特征分析結(jié)果一致。

圖10 故障部件

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1671-0711（2016）05-0070-03