風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承常見故障診斷與振動(dòng)檢測

陳艷

摘 要：風(fēng)能是一種分布廣泛、零污染且儲(chǔ)蓄豐富的可再生能源，而我國能源結(jié)構(gòu)單一且分布不均，更加需要加強(qiáng)對風(fēng)能的利用。然而風(fēng)電故障的排查與診斷是風(fēng)電發(fā)展必須面臨的問題，而軸承部位又是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心所在。因此，加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承常見故障的診斷與振動(dòng)檢測意義重大，本文就此展開討論。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；軸承；常見故障；振動(dòng)檢測

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

軸承故障與齒輪箱故障幾乎占據(jù)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障的大多數(shù)。發(fā)電機(jī)組的各種檢測傳感器均安裝在軸承座上，而各種軸承故障都是通過傳感器才發(fā)現(xiàn)的，所以我們通過傳感器所采集的信息就可以準(zhǔn)確的判斷整個(gè)發(fā)電機(jī)組的工作狀況。然而在實(shí)際安裝中，軸承故障診斷與振動(dòng)識(shí)別也是作為優(yōu)先部分處理，科研投入也是占據(jù)了成本投入的一半以上。本文就風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承常見故障特征及原因進(jìn)行詳細(xì)闡述，然后就軸承的振動(dòng)檢測進(jìn)行深入研究。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承常見故障特征及原因

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承結(jié)構(gòu)

軸承一般分為外圈、保持架、滾動(dòng)體（滾珠）和內(nèi)圈4個(gè)部分。軸承內(nèi)部充滿油脂類物質(zhì)，用于減少軸承滾動(dòng)的阻力，也能分離軸承與其他部件的接觸，從而減少摩擦阻力。油脂還可以起到散熱與防止腐蝕的作用。所以為了防止外物對油脂的影響，我們一般會(huì)在保持架的兩端加裝防塵裝置，以免外物減弱油脂的各種作用。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承常見故障及診斷

支撐主軸軸承的外圈固定在軸承座上，機(jī)械傳動(dòng)軸從主軸軸承內(nèi)圈經(jīng)過。風(fēng)力帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)鏈將動(dòng)力傳輸給主軸，當(dāng)主軸達(dá)到一定的載荷轉(zhuǎn)速時(shí)，由軸承和軸承座組成的振動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)，也就是風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的產(chǎn)生。這種激勵(lì)振動(dòng)一般是周期性振動(dòng)，對受載體產(chǎn)生的撞擊力或摩擦力也會(huì)周期性的出現(xiàn)，長期疲勞極大可能產(chǎn)生軸承的局部損傷，因此需要加強(qiáng)對軸承振動(dòng)頻率的監(jiān)測。

根據(jù)長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及理論知識(shí)的積累，從故障程度上可將軸承的故障類型分為初級(jí)損壞與中級(jí)損壞兩類。通常我們所見到的電流損害、磨損以及表面損壞等都是初級(jí)磨損；還有一些像破裂和散裂屬于中級(jí)損壞。我們還可以從損壞的位置來區(qū)分故障，可將其類型分成外圈故障、內(nèi)圈故障、滾動(dòng)體故障以及支撐部件的故障。

結(jié)合軸承結(jié)構(gòu)示意圖，可將風(fēng)電機(jī)組軸承的常見故障特征及產(chǎn)生原因歸納羅列如下：

（1）疲勞故障：故障特征表現(xiàn)為滾動(dòng)體或者滾道表面脫落或者脫皮。故障產(chǎn)生原因?yàn)檩S、保持架等支撐裝置制造工藝較低使得其精度不能保證，軸向長期過高負(fù)荷條件工作，對其性能產(chǎn)生很大的影響。

（2）磨損故障：我們可以從外觀來觀察故障的產(chǎn)生原因，一般磨損故障會(huì)產(chǎn)生色澤的變化，形成磨痕。故障產(chǎn)生原因?yàn)樵谖⑿￠g隙間的滑動(dòng)磨損和長期惡劣環(huán)境中的長期使用。

（3）缺口或凹痕故障：分為過載及安裝或外來顆粒引起的缺口或凹痕。過載及安裝引起的特征表現(xiàn)為細(xì)小的缺口或凹痕分布在兩圈的滾道周圍和滾動(dòng)元件里，是由于安裝不準(zhǔn)確時(shí)形成的安裝壓力所引起；外來顆粒引起的特征表現(xiàn)為細(xì)小的缺口/凹痕分布在兩圈的滾道周圍和滾動(dòng)元件里，是由于外來顆粒進(jìn)入軸承所引起。

（4）腐蝕故障分為銹蝕、摩擦腐蝕、電化學(xué)腐蝕。銹蝕的表現(xiàn)特征為滾道間出現(xiàn)灰黑色的條紋，滾道和軸承及其表面出現(xiàn)銹蝕斑，是由于軸承里面進(jìn)入水、濕氣或者腐蝕物所致；當(dāng)我們對軸進(jìn)行安裝時(shí)，有時(shí)可能過松會(huì)導(dǎo)致軸之間出現(xiàn)生銹現(xiàn)象；電化學(xué)腐蝕的表現(xiàn)特征為滾道和滾子出現(xiàn)深褐色或者灰黑色凹槽變黑，是由于有電流通過旋轉(zhuǎn)軸承所致。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)檢測

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承的振動(dòng)檢測包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及振動(dòng)信號(hào)的預(yù)處理，采集的數(shù)據(jù)必須通過傳感器以固定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，并且通過計(jì)算機(jī)手段對信息進(jìn)行處理以及分析，這樣可以判斷出故障所在。通常我們在采集數(shù)據(jù)時(shí)受外界的干擾因素很多，因此傳感器的選取是重中之重。本節(jié)主要對振動(dòng)傳感器的構(gòu)成及市場上兩種常見的傳感器做詳細(xì)介紹。

振動(dòng)傳感器的主要任務(wù)是采集振動(dòng)信號(hào)并存儲(chǔ)任務(wù)，一般由電源、濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、CPU組成，通過傳感器的震動(dòng)，可以將這些震動(dòng)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過濾波然后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這些信號(hào)將傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，這樣我們就可以得到自己想要的結(jié)果了。

電源：是為整個(gè)系統(tǒng)提供恒定的4mA能源，為整個(gè)傳感器系統(tǒng)提供動(dòng)力。

濾波器：濾波器的主要作用是去掉偏置電壓，調(diào)制輸入信號(hào)，將信號(hào)源振幅控制在-5V～+5V范圍內(nèi)，頻率變?yōu)?～90kHz。

CPU：它是由MCU和DPS共同組成，他們之間通過雙口RAM來實(shí)現(xiàn)信息的交換。MCU是數(shù)據(jù)的采集工以及系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工，DSP則對終端數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與運(yùn)算。

目前，市場上常見的壓電式傳感器主要有IEPE傳感器和ICP傳感器兩種，現(xiàn)作以下詳細(xì)介紹。

2.1 IEPE 振動(dòng)傳感器

IEPE 振動(dòng)傳感器實(shí)際是一種加速度傳感器，它可以對電量進(jìn)行放大。加速度傳感器一般產(chǎn)生的電量較弱，當(dāng)有其他因素對其干擾時(shí)很難撲捉到，所以我們要將其電量進(jìn)行放大，從而得到質(zhì)量較好的信號(hào)源。IEPE 振動(dòng)傳感器就是集成了電信號(hào)放大器，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)IEPE 還帶有一個(gè)恒流源，可以為加速度傳感器提供恒定的電流，市場上生產(chǎn)的一般為額定電流4mA。傳感器內(nèi)部電路相當(dāng)于一個(gè)電阻，我們知道電阻的大小和傳感器的加速度之間是成正比例關(guān)系的，所以我們看到的傳感器返回的信號(hào)電壓和加速度也就成正比。放大器的輸入范圍可以根據(jù)實(shí)際需要自行設(shè)定。

2.2 ICP 加速度傳感器

將壓電傳感器和電荷放大器兩者進(jìn)行集成，這樣就組成了ICP加速度傳感器，同時(shí)具有較高的精度與可靠性。內(nèi)部采用的隔離剪切技術(shù)可以對各個(gè)部分進(jìn)行隔離，且ICP傳感器的輸出是簡單的兩線制，電流激勵(lì)線加地線，因此具有更優(yōu)的抗干擾能力，而且設(shè)計(jì)簡便，使用可靠。

結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障，軸承故障診斷與振動(dòng)檢測實(shí)際情況復(fù)雜多變，同一種產(chǎn)品在不同環(huán)境下所產(chǎn)生的結(jié)果也不相同。然而國內(nèi)還缺乏更加系統(tǒng)和規(guī)范的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)理論知識(shí)還不夠完善，因此需要去做更多的實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)的分析總結(jié)，吸收更多國外先進(jìn)的理論知識(shí)，來不斷完善我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承故障診斷與振動(dòng)檢測的理論儲(chǔ)備。

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