面向風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障診斷

孫偉楠

摘 要：風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱中滾動軸承運行過程中極易出現(xiàn)故障問題，一旦診斷不準(zhǔn)確及故障處理不到位，會給風(fēng)力發(fā)電機組的正常運行造成極為不利的影響，因此積極做好風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障診斷是非常必要的，以下開展具體分析，僅供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組；齒輪箱；滾動軸承；故障；診斷

齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機組的重要組成部分，其良好的運行狀態(tài)是保證傳動設(shè)備安全穩(wěn)定運行的重要條件，尤其是通過齒輪箱中滾動軸承、齒輪、軸等部件之間的協(xié)調(diào)配合，保證保證整個齒輪箱的正常運作。而滾動軸承在風(fēng)力發(fā)電機組運行過程中極易出現(xiàn)故障問題，在實際故障診斷過程中應(yīng)當(dāng)掌握其診斷技巧，以提高齒輪箱滾動軸承故障診斷的科學(xué)性和合理性。以下開展具體論述。

1 振動檢測技術(shù)在齒輪箱中的應(yīng)用

相關(guān)實踐表明，風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障診斷的過程中，大多以振動檢測技術(shù)作為主要方式，通過對齒輪箱軸承座上火齒輪箱殼體中上部的振動信號進行準(zhǔn)確提取，并加以妥善處理后，對潛在故障特征信息進行科學(xué)化分析，進而明確故障性質(zhì)及其所在部位，從而促進故障問題得到科學(xué)的診斷和解決。振動檢測技術(shù)大多通過頻譜分析法、時域分析法以及包絡(luò)分析法等作為常用的振動信號分析方法。

2 風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障特點分析

風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱運行過程中，若齒輪箱存在故障，其特征頻率發(fā)生明顯變化，在出現(xiàn)諧波的同時，也會存在一定量的邊頻帶，振動現(xiàn)象也存在一定差異性。若齒輪箱滾動軸承出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致滾動體相對滾道旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生較大能量的沖擊，形成載波頻率，以軸承外圈固有頻率為主，并且形成固有頻率調(diào)制振動狀態(tài)。一旦風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承出現(xiàn)嚴(yán)重的故障問題，并且存在比較鮮明的故障特征頻率成分，尤其是和頻與差頻往往會隨著基本成分的變化而變化，因此加強風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障診斷分析是非常必要的。

3 風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障診斷難點

3.1 確定齒輪箱中間傳動軸的轉(zhuǎn)速難

齒輪箱通常具有多級結(jié)構(gòu)，每級傳動產(chǎn)生不同的速比。一般情況下，齒輪箱廠家僅提供齒輪總速比，并不詳細(xì)提供每級傳動速比以及齒輪齒數(shù)，這為準(zhǔn)確判斷中間傳動軸的軸承故障增加了難度。確定每根傳動軸的轉(zhuǎn)速，是正確分析判斷軸承故障的關(guān)鍵，因為軸承故障特征頻率是與軸承結(jié)構(gòu)尺寸及軸的轉(zhuǎn)速相關(guān)。軸承的結(jié)構(gòu)尺寸（滾子直徑、滾子分布圓直徑、接觸角）以及軸承滾子數(shù)量等是內(nèi)在因素，是由軸承制造商決定的。而轉(zhuǎn)速是屬外在因素，同一軸承在不同的轉(zhuǎn)速上，軸承的故障特征頻率不同。

3.2 確定頻譜中故障特征頻率成分難

目前齒輪箱故障診斷方法是以箱體振動信號進行研究的，信號在傳遞過程中經(jīng)過的環(huán)節(jié)很多，部分信號在傳遞過程中衰減或受調(diào)制。另外，由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件多樣，箱內(nèi)多對齒輪和滾動軸承同時工作，頻率成分多且復(fù)雜，各種干擾較大。所以傳感器所提取的振動信號中，各信號頻率雜、多且不易區(qū)分，確定其中某故障特征頻率就存在一定難度。滾動軸承故障產(chǎn)生的振動信號能量要比齒輪或軸系故障產(chǎn)生的振動能量小，其故障信號很容易被淹沒在其他振動信號中，故障特征更不明顯，這為確定軸承故障特征頻率增加了很大難度。

4 風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障診斷經(jīng)驗

本文在對風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障特點以及診斷難點開展分析的基礎(chǔ)上，對齒輪箱滾動軸承故障診斷經(jīng)驗總結(jié)如下：

第一，明確風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及軸承故障特點。也就是說，為保證風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障診斷的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確把握齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括齒輪模式、傳動軸數(shù)量、軸承型號等，從而為測點的布置提供可靠的數(shù)據(jù)支持。與此同時，應(yīng)當(dāng)明確電動機轉(zhuǎn)速和傳動齒輪齒數(shù)，便于進一步確定傳動軸的轉(zhuǎn)頻和嚙合數(shù)。除此之外，應(yīng)當(dāng)基于齒輪嚙合頻率以及軸承故障特征頻率等要素來明確齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及軸承故障特點，以保證風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障診斷的科學(xué)性。

第二，對傳動軸所在軸承座上的振動進行準(zhǔn)確測量。一般情況下，風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱運作過程中，受到不同信號傳遞路徑的影響，齒輪箱殼體上的不同測點對于激勵所產(chǎn)生的響應(yīng)也各不相同。研究可知，將監(jiān)測點設(shè)置于齒輪箱傳動軸所在軸承座部位，能夠準(zhǔn)確接收軸承振動信號；而將監(jiān)測點設(shè)置于殼體中上部靠近齒輪的嚙合點，能夠?qū)X輪的其他故障進行準(zhǔn)確監(jiān)測。

第三，基于水平、垂直和軸向三個方向?qū)φ駝舆M行測量。為促進風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障得到科學(xué)化診斷，在對振動進行測量時應(yīng)當(dāng)掌握好測量方向，并選擇恰當(dāng)?shù)臏y點位置，以保證振動測量的準(zhǔn)確度。一般情況下，在帶散熱片的齒輪箱以及軸承處于軸中間位置等情況下，測點方向應(yīng)當(dāng)有選擇性的設(shè)置，基于水平、垂直和軸向三個方向進行振動測量，密切觀察其軸向振動能量變化與頻率變化，以保證測量的有效性。

第四，兼顧高低頻段振動開展測量，合理選擇傳感器并控制好測量范圍。具體來講，在風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱運作過程中，以固有頻率、傳動軸旋轉(zhuǎn)頻率以及軸承故障特征頻率等作為基本振動信號，通過寬帶頻振動進行準(zhǔn)確監(jiān)測，基于不同頻率范圍選擇適宜的傳感器，并控制好測量范圍，以促進風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱故障的妥善處理。

第五，最好在齒輪滿負(fù)荷狀態(tài)下測量振動。滿負(fù)荷下測量齒輪箱振動，能夠較清晰地捕捉到故障信號。有時候，在低負(fù)荷時，部分軸承故障信號會被齒輪箱內(nèi)其它信號所淹沒，或者受其他信號調(diào)制而不容易發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，在軸承故障比較嚴(yán)重時，在低負(fù)荷時，就是通過速度頻譜也是能夠清晰地捕捉到故障信號。

第六，分析數(shù)據(jù)時要兼顧頻譜圖與時域圖。當(dāng)齒輪箱發(fā)生故障時，有時在頻譜圖上各故障特征的振動幅值不會發(fā)生較大的變化，無法判斷故障的嚴(yán)重程度或中間傳動軸轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確值，但在時域圖中可通過沖擊頻率來分析故障是否明顯或所在傳動軸轉(zhuǎn)速是否正確。因此，要準(zhǔn)確確定每一傳動軸的轉(zhuǎn)速或者某一故障的沖擊頻率，都需要將振動頻譜圖和時域圖兩者結(jié)合起來推斷。特別對異常諧波的邊頻族的頻率確定，更是離不開時域圖的輔助分析。

5 結(jié)束語

總而言之，為促進風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障問題得到科學(xué)化診斷，應(yīng)當(dāng)明確齒輪箱滾動軸承的故障特點，準(zhǔn)確把握故障后相關(guān)參數(shù)的變化情況，明確診斷過程中的重點與難點，基于以往齒輪箱滾動軸承故障診斷經(jīng)驗出發(fā)，就滾動軸承故障進行科學(xué)診斷和分析，便于采取可行的措施對風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱滾動軸承故障問題進行妥善處理，維護風(fēng)力發(fā)電機組的正常運行。

參考文獻

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