風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕故障研究

羅振斌

摘 要：想要保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，最大程度降低機(jī)組的維護(hù)成本，就要提高對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的研究。因此，本文針對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕故障進(jìn)行研究分析，首先簡(jiǎn)單了解軸承電腐蝕特征，其次從發(fā)電機(jī)軸在線監(jiān)測(cè)技術(shù)入手，詳細(xì)分析軸承電腐蝕故障診斷方式，采取振動(dòng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)頻譜信號(hào)分析的方式，最后根據(jù)實(shí)際案例診斷具體過程，為軸承電腐蝕故障判斷提供準(zhǔn)確的依據(jù)，以供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組;發(fā)電機(jī);軸承電腐蝕;故障處理

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）01-0160-02

0 引言

近幾年里，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到大范圍應(yīng)用，振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析、處理分析等技術(shù)水平也在不斷提升，機(jī)組的運(yùn)行情況日益穩(wěn)定。但風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行的過程中，依然存在一些無法避免的故障問題，軸承作為運(yùn)行過程中的核心部件，一旦出現(xiàn)故障，那么機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)受到影響，利用振動(dòng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)頻譜信號(hào)對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕故障進(jìn)行檢測(cè)分析，可以制定更加科學(xué)的處理措施。

1 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承的電腐蝕特征

風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行的過程中，會(huì)有強(qiáng)電流流經(jīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子繞組，此時(shí)，如果支撐軸承的絕緣處理存在問題，那么強(qiáng)電流會(huì)在轉(zhuǎn)子和定子之間形成回路，電流就會(huì)流過軸承，嚴(yán)重的情況下，軸承的內(nèi)外圈都會(huì)出現(xiàn)過大電壓。如果軸承存在松動(dòng)或者過大空隙時(shí)，軸承內(nèi)外圈滾道和滾動(dòng)體之間會(huì)形成局部放電，軸承部件會(huì)受到電弧作用的影響，出現(xiàn)點(diǎn)蝕。這種風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承的電腐蝕一般表現(xiàn)為搓衣板狀的波紋痕跡，這種波紋痕跡會(huì)導(dǎo)致接觸表面的潤(rùn)滑狀態(tài)下降，隨著運(yùn)行條件的惡化，軸承就會(huì)失效，這也是風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承在運(yùn)行過程中最常見的問題。風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承的電腐蝕故障并不屬于局部故障，也不會(huì)對(duì)整體機(jī)組產(chǎn)生瞬時(shí)強(qiáng)沖擊激勵(lì)，而是一種持續(xù)的弱沖擊激勵(lì)，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，這種故障沖擊特征非常容易被忽視，必須要得到重視。要針對(duì)電腐蝕故障震動(dòng)型號(hào)特點(diǎn)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，增強(qiáng)信號(hào)中的故障沖擊成分，應(yīng)用包絡(luò)譜分析法提取出故障特征信息，以此準(zhǔn)確診斷風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承的電腐蝕故障。[1]

2 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

現(xiàn)階段，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，占據(jù)了絕大部分的市場(chǎng)份額，的通過在關(guān)鍵位置安裝振動(dòng)傳感器，來監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后獲得軸承運(yùn)行特征頻率參數(shù)，并且對(duì)比分析數(shù)據(jù)之間的差異性，判定軸承的運(yùn)行狀況。但通過上文分析，也能夠看出在線監(jiān)測(cè)故障判定存在較大的難度，在這樣的情況下，采取振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析提取振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)一步抽取表征故障特征信息量，以此就能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)組中的軸承運(yùn)行狀態(tài)、故障潛在點(diǎn)和發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別判斷。風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承在運(yùn)行過程中，其故障特性會(huì)隨著故障狀態(tài)而不斷發(fā)展，在這樣的情況下，監(jiān)測(cè)技術(shù)也要根據(jù)趨勢(shì)特征變化進(jìn)行分析，具體評(píng)估軸承的運(yùn)行狀態(tài)，以期達(dá)到維護(hù)更換的根本目的。

2.2 電腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

軸承主要是由滾動(dòng)體、保持架、內(nèi)外圈等結(jié)構(gòu)件組成，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，可能會(huì)觸發(fā)各種組成構(gòu)建的頻率響應(yīng)，一旦出現(xiàn)局部缺陷時(shí)，就會(huì)發(fā)出響應(yīng)的沖擊信號(hào)，不同故障發(fā)出的頻率特征會(huì)受到結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征的影響，存在一定的區(qū)別。通常情況下，可以監(jiān)測(cè)軸承信號(hào)，以此判斷軸承運(yùn)行狀態(tài)，但是更多的是電腐蝕故障，這種故障的信號(hào)檢測(cè)較為困難，需要增強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)故障特征[1]。比如：正常軸承的滾道光滑，產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)也具有寬帶隨機(jī)成分，信號(hào)的信息熵比較大，但出現(xiàn)故障時(shí)，信號(hào)的信息熵相對(duì)較小，產(chǎn)生的周期沖擊激勵(lì)具有一定的確定性，但在傳遞古城中，受到多種干擾因素的影響，響應(yīng)信號(hào)的確定性也會(huì)隨之降低，信號(hào)的信息熵也會(huì)隨之增加，這是一種最小熵解卷積方法，在此基礎(chǔ)上，完成最優(yōu)濾波器問題，就可以對(duì)故障進(jìn)行全面的分析診斷。

3 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕故障的診斷案例

由上可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在進(jìn)行軸承電腐蝕故障的過程中，會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的弱沖擊激勵(lì)，在這樣的情況下，需要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行全面的分析和判斷，以此判定電腐蝕故障的損傷程度。

3.1 故障診斷案例的基本概況

本文以國(guó)華新能源有限公司旗下的某風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承發(fā)生的電腐蝕故障為例進(jìn)行分析，選取某臺(tái)2MW機(jī)組發(fā)電機(jī)為主要測(cè)試對(duì)象，該發(fā)電機(jī)軸承為德國(guó)FAG廠家生產(chǎn)制造，驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)為NU1030MC3和6030C3，非驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)為NU1030MC3。通過對(duì)檢測(cè)到的驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判定軸承的運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)軸承點(diǎn)故障判定提供依據(jù)。風(fēng)電機(jī)組在出現(xiàn)故障中，會(huì)發(fā)出振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別，可以更好的判斷故障情況。最為主要的是，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行診斷式目前最為常見的一種診斷模式，也是使用的頻率最高的一種，主要可以用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中齒輪箱、軸承、葉片等關(guān)鍵部位的檢測(cè)和診斷[2]。

3.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過監(jiān)測(cè)該機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承的實(shí)時(shí)振動(dòng)情況，因?yàn)樵擄L(fēng)場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組都配置了CMS系統(tǒng)，所有傳動(dòng)系統(tǒng)各部件上布置振動(dòng)傳感器，進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。根據(jù)軸承故障特征頻率系數(shù)情況來看，在實(shí)際運(yùn)行過程中，發(fā)電機(jī)自由端軸承振動(dòng)逐漸增大，而從近兩個(gè)月以來發(fā)電機(jī)自由端振動(dòng)加速度有效值來看，可以看出該NU1030MC3軸承故障狀態(tài)振動(dòng)有效值最大值達(dá)到了30m/s2，CMS系統(tǒng)持續(xù)發(fā)出預(yù)警。結(jié)合該型號(hào)軸承的故障特征頻率系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，與此同時(shí)，取出一段振動(dòng)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析診斷，根據(jù)實(shí)測(cè)振動(dòng)波形頻譜對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析，采樣頻率為25.6kHz。該段信號(hào)對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速約為1171轉(zhuǎn)/分，由此可以判定發(fā)電機(jī)會(huì)處于低速輕載運(yùn)行狀態(tài)。不僅如此，從頻譜數(shù)據(jù)中還能夠發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)波形的隨機(jī)成分較強(qiáng)，出現(xiàn)輕微的周期調(diào)幅現(xiàn)象。但故障沖擊特征不夠明顯，故障沖擊特征不明顯，信號(hào)頻譜中在400-1000Hz和1400-2000Hz等頻帶有邊帶成分，其中頻率間隔約為95Hz的邊帶成分比較突出[3]。

3.3 振動(dòng)信號(hào)處理分析

想要增強(qiáng)信號(hào)中的故障沖及成分，就要在實(shí)際應(yīng)用過程中，進(jìn)行MED解卷積濾波處理，得到時(shí)域波形以及頻率情況。根據(jù)MED前后震動(dòng)型號(hào)波形對(duì)比情況，可以看出在處理后，信號(hào)中周期沖擊成分更加明顯，周期約為0.01s，信號(hào)頻譜中除了突出的95Hz邊帶成分之外，幾個(gè)共振頻帶也更加突出，為信號(hào)窄寬包絡(luò)進(jìn)行分析。通過上述分析可以看出，原始信號(hào)的包絡(luò)譜中沒有任何峰值成分，但經(jīng)過處理后的信號(hào)包絡(luò)圖譜中，在61.1Hz和95.05Hz處中都有峰值，表明通過MED進(jìn)行濾波處理后，信號(hào)中的故障沖擊特征得到增強(qiáng)，有效提升了軸承故障的判斷能力。

3.4 診斷結(jié)果分析

本文通過分析，采取最小熵解卷積來增強(qiáng)信號(hào)中的故障沖擊成分，然后根據(jù)包絡(luò)譜研究法對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的分析診斷，在此過程中，對(duì)電腐蝕故障此類沖擊特征不明顯的分布故障，也可以準(zhǔn)確高效的獲取到故障信息，增強(qiáng)診斷效果，保證故障診斷的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。從本質(zhì)上解決了這一大難題。根據(jù)診斷結(jié)果，該風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維人員及時(shí)采取加強(qiáng)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式，外圈滾刀上則布滿了搓衣板狀的電腐蝕故障痕跡。這種基于峭度的EMD方法在實(shí)際應(yīng)用中，分解結(jié)果更接近理想值，對(duì)發(fā)電機(jī)組軸承電腐蝕振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，可以更加準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷。該項(xiàng)工作有效得到了國(guó)家的認(rèn)可，市場(chǎng)也充分利用這個(gè)機(jī)會(huì)進(jìn)行學(xué)習(xí)，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)受到多方面因素的影響，各種性能無法來保證。同時(shí)也利用這種振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作情況，并且軸承的運(yùn)行狀態(tài)要給予及時(shí)的準(zhǔn)確評(píng)定，軸承的故障預(yù)判也有效的提供了依據(jù)，同時(shí)這個(gè)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展也在一定程度上進(jìn)一步提高故障診斷能力和異常狀態(tài)判別能力，從而全面有效的降低機(jī)組維護(hù)成本，保證機(jī)組得到可靠穩(wěn)定的進(jìn)行。

4 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕故障的處理措施

4.1 采用合適的絕緣軸承

通過上述內(nèi)容可知，如果軸承的絕緣性出現(xiàn)問題，就會(huì)導(dǎo)致電腐蝕高鉆和功能的出現(xiàn)。雖然風(fēng)電機(jī)組在內(nèi)端蓋上使用絕緣涂層，但涂層在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)受到高溫差、灰塵多方面因素的影響，絕緣性能無法保證。隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，絕緣涂層會(huì)出現(xiàn)失效的情況，因此，選擇合適的絕緣軸承，可以在保證良好接地的基礎(chǔ)上，使用帶絕緣軸承，可以有效避免軸電流經(jīng)過軸承后產(chǎn)生電灼傷，讓軸承壽命得到延長(zhǎng)，將負(fù)面影響降至最低。

4.2 加強(qiáng)對(duì)軸承的檢查巡視

在對(duì)軸承進(jìn)行巡檢過程中，要重點(diǎn)檢查發(fā)電機(jī)后端接地碳刷長(zhǎng)度，確保軸承的有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)，不僅如此，軸承的連接情況也要進(jìn)行檢查，以此保證軸承的正常運(yùn)行。除了軸承自身的連接情況之外，其他部分的連接也要進(jìn)行檢查確保軸承的工作情況良好。比如：在巡檢過程中對(duì)碳刷和花環(huán)周身出部分接地連接進(jìn)行檢查，確保充分接觸，并且使用萬用表測(cè)量發(fā)電機(jī)對(duì)輪中心部位到接地點(diǎn)的接地電阻進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)電阻小于4Ω。傳統(tǒng)的軸承型號(hào)無法保證風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，可以利用全新的技術(shù)改造方式，對(duì)軸承進(jìn)行改造，以此提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性[4]。

4.3 改變軸承的潤(rùn)滑方式

傳統(tǒng)的軸承潤(rùn)滑方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行需求，軸承所需要的潤(rùn)滑量大幅度提高。要采取“少量多次”的原則，保證油脂潤(rùn)滑覆蓋率，比如：某風(fēng)電場(chǎng)就要工作人員在巡檢過程中對(duì)潤(rùn)滑檢查項(xiàng)進(jìn)行全面的監(jiān)督管理，并且全面改變現(xiàn)有軸承潤(rùn)滑方式，使用新油脂將軸承內(nèi)部原有的增稠劑定頂出，避免內(nèi)部留存大量增稠劑影響潤(rùn)滑工作的正常進(jìn)行。

5 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行過程中會(huì)受到多種因素的影響，情況多變，檢測(cè)信號(hào)中包含各種干擾噪聲成分，會(huì)將一些微弱的故障信息掩蓋。尤其是風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕這種故障，在早期很難被發(fā)現(xiàn)，會(huì)對(duì)機(jī)組的整體運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響，在這樣的情況下，增強(qiáng)故障信息，及時(shí)獲取得到有效的故障信息，也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置，可以在第一時(shí)間采取有效的運(yùn)維策略，確保機(jī)組穩(wěn)定進(jìn)行。

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