風(fēng)機主軸故障預(yù)測診斷與處理方法研究綜述

趙順治，林 濤，郭衛(wèi)民，劉 磊，張志浩，景財年

（1.山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南 250101；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）山東省分析測試中心，山東濟南 250014）

0 引言

近年來，伴隨我國經(jīng)濟高速發(fā)展，清潔能源在國家能源體系構(gòu)建中發(fā)揮著舉足輕重的作用，《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》[1]中提出，加快能源技術(shù)創(chuàng)新，建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。這意味著清潔能源已納入國家長期發(fā)展戰(zhàn)略中，而以風(fēng)能產(chǎn)業(yè)為代表的環(huán)境友好型能源產(chǎn)業(yè)由此迸發(fā)出巨大的經(jīng)濟前景和發(fā)展?jié)摿?。然而，由于風(fēng)電裝備工作環(huán)境惡劣，運行工況復(fù)雜，使用壽命長，導(dǎo)致機組部件容易發(fā)生潛在損壞故障，如果不能及時發(fā)現(xiàn)處理將造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的安全事故。

風(fēng)機主軸作為風(fēng)力發(fā)電機的核心旋轉(zhuǎn)部件[2]，生產(chǎn)工藝要求高、火次多、鍛造難度大，自身結(jié)構(gòu)沿軸線方向臺階多且端部法蘭形狀復(fù)雜[2]、尺寸大，運行過程中不僅要受到來自外部惡劣環(huán)境的影響還會受到來自葉輪、輪轂等部件的復(fù)雜交變載荷影響。風(fēng)力發(fā)電機一般設(shè)置在數(shù)十米的高空或海上，一旦發(fā)生故障難于及時發(fā)現(xiàn)治理。風(fēng)力發(fā)電機作為一種超大型設(shè)備，各部件容易出現(xiàn)隱藏的微小損傷或故障，而這些未能及時發(fā)現(xiàn)處理的微小損傷或故障極易隨風(fēng)機長時間運行演變?yōu)橹卮笫鹿省?011 年1 月，華能在大理的大風(fēng)壩風(fēng)電場的60 號風(fēng)機發(fā)生風(fēng)機主軸斷裂事故[3]，原因是加工不當(dāng)導(dǎo)致的疲勞破壞；2017 年6 月，美國內(nèi)布拉斯加州某風(fēng)場的一臺GE1.7MW 風(fēng)電機組脫機墜落；2017 年4 月，遼寧康平風(fēng)電場的一臺維塔斯風(fēng)電機組機艙著火燃燒。近十年來，全球有記錄的風(fēng)電機組事故有數(shù)千次。因此本文綜合闡述了國內(nèi)外風(fēng)機主軸故障預(yù)測診斷與處理方法等研究成果，在及時監(jiān)測風(fēng)電機組故障[4]并做出準(zhǔn)確診斷處理方面提供理論支撐，在降低故障率，提高風(fēng)機發(fā)電效率，提升經(jīng)濟效益，保證人員安全方面具有不可或缺的重要意義[5]。

1 風(fēng)機主軸故障發(fā)生前的監(jiān)測方法

1.1 故障發(fā)生前模擬仿真研究

1.1.1 基于Bladed 的載荷仿真研究

風(fēng)機主軸在運行過程中，承受著來自風(fēng)機輪轂、前后軸承帶來的周期性扭轉(zhuǎn)載荷及隨機拉壓、振動載荷，在如此復(fù)雜多變的載荷情況下，容易產(chǎn)生屈服破壞和疲勞損傷等故障。為保證其長周期的安全運行，白儒[6]等人根據(jù)羅氏應(yīng)力應(yīng)變手冊結(jié)合主軸所受載荷特點闡述了一種有限元仿真分析預(yù)測故障的方法。

其通過建立有限元整體分析模型（如圖1 所示）的方法將真實風(fēng)機系統(tǒng)數(shù)學(xué)近似化，再基于葉素理論使用專業(yè)載荷分析軟件Bladed[7]計算最大極限工況載荷,從而調(diào)用Bladed 計算得到最大極限工況載荷下的主軸靜強度應(yīng)力云圖（如圖2 所示），分析主軸靜強度；根據(jù)主軸承受的交變載荷結(jié)合材料的S-N 曲線并依據(jù)線性損傷累計法則得到主軸的疲勞應(yīng)力譜、疲勞損傷分析等一系列數(shù)據(jù)從而進行主軸疲勞壽命分析，最終根據(jù)計算結(jié)果得到主軸最易產(chǎn)生疲勞損傷的位置。以此對風(fēng)機主軸的故障潛在發(fā)生點進行診斷。

圖1 主軸強度分析整體模型[6]

圖2 主軸靜強度應(yīng)力云圖[6]

1.1.2 基于ADAMS 的動力學(xué)仿真研究

風(fēng)機主軸作為風(fēng)力發(fā)電機中的核心旋轉(zhuǎn)部件，及時預(yù)測其裂紋故障也是諸多學(xué)者研究的重要方向之一。白潔[8]等人從風(fēng)力發(fā)電機這類旋轉(zhuǎn)機械故障機理和特征著手，仿真風(fēng)機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的裂紋故障，探究了一種基于虛擬樣機技術(shù)的風(fēng)機裂紋故障預(yù)測和診斷方法。

使用ANSYS 分析軟件[9]建立風(fēng)機主軸有限元模型，進行靜力分析和振動特征分析。靜力分析時模擬施加實際工況中風(fēng)機主軸承受的重力和轉(zhuǎn)矩，從而根據(jù)得到的應(yīng)力分布云圖計算主軸最易產(chǎn)生故障的位置點，以此判斷實際風(fēng)機主軸靜力學(xué)綜合性能并對預(yù)測故障最易發(fā)生位置提供參考；振動特征分析是在靜力分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，在預(yù)測故障最易發(fā)生位置設(shè)定虛擬故障，而后將正常和故障的風(fēng)機主軸的軸心軌跡和振動時頻圖進行比對，最終從中提取有效的故障信號并總結(jié)故障的特征現(xiàn)象，以此對實際工況中的風(fēng)機主軸故障預(yù)測[10]提供參考數(shù)據(jù)及方法。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)研究

上述預(yù)測故障的方法主要是基于計算機進行的模擬研究，為更大程度保證故障預(yù)測的及時性和準(zhǔn)確性，滿足風(fēng)場中對各風(fēng)電機組健康狀況實時監(jiān)測的需求[11]，諸多學(xué)者對風(fēng)機故障監(jiān)測系統(tǒng)進行了研發(fā)與創(chuàng)新，為促進風(fēng)電機組的安全運行提供了重要的參考意義。

1.2.1 超聲在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

在線監(jiān)測作為一種新式有效的監(jiān)測手段，近年來受到廣泛關(guān)注，尤其需要指出由何存富[12]等人設(shè)計的一種基于超聲檢測的在線監(jiān)測系統(tǒng)（如圖3 所示），其由超聲激勵接收電路、無線收發(fā)電路等組成，利用超聲脈沖反射原理[12]，采用環(huán)形陣列的方式將檢測傳感器以布置于主軸端面合適位置以實現(xiàn)在風(fēng)機運行工況下的風(fēng)機主軸質(zhì)量的實時監(jiān)測。

圖3 檢測系統(tǒng)組成框圖[12]

該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：克服了風(fēng)機主軸只能在生產(chǎn)過程和裝機前進行質(zhì)量檢測的難題，實現(xiàn)了主軸運行過程中實時監(jiān)測的功能，更好的保證了復(fù)雜惡劣工作環(huán)境下主軸質(zhì)量的實時掌控，為及時預(yù)測主軸故障并作出處理提供關(guān)鍵參考價值。

1.2.2 基于數(shù)據(jù)流的風(fēng)機故障實時監(jiān)測系統(tǒng)

目前我國三北地區(qū)[2]的陸上風(fēng)電和近海地區(qū)的海上風(fēng)電發(fā)展迅速，但是風(fēng)場高速流通的數(shù)據(jù)對現(xiàn)存風(fēng)機故障檢測系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，為快速的發(fā)現(xiàn)風(fēng)機故障并及時處理，涂振宇[11]等人提出了一整套風(fēng)機故障實時監(jiān)測系統(tǒng)的解決方案。

為了使系統(tǒng)適用于高速數(shù)據(jù)流并實現(xiàn)及時的數(shù)據(jù)處理和集成，充分利用框架式和分布式處理引擎Flink 以及分布式消息隊列系統(tǒng)Kafka 具備的高吞吐、低延遲、高性能的優(yōu)勢搭建數(shù)據(jù)整合處理平臺，在此基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)以更加全面的適應(yīng)風(fēng)場大批量數(shù)據(jù)流的需求并對風(fēng)機狀態(tài)實現(xiàn)更加靈活的監(jiān)測。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于以下方面：

首先結(jié)合風(fēng)機在運行狀態(tài)下受力振動的數(shù)字特征創(chuàng)新提出了一種新的故障預(yù)警的方法。結(jié)合機器學(xué)習(xí)分類算法并引用相似性距離的特征距離測量方式來實現(xiàn)對風(fēng)機運行狀態(tài)的監(jiān)控[11]；其次針對后續(xù)故障原因追溯問題，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌戎謩?chuàng)新開發(fā)了一種適用于非平穩(wěn)的風(fēng)機振動信號的處理分析方法，以此更直觀的反應(yīng)風(fēng)電機組潛在故障原因；最后通過希爾伯特變換提取分解后信號分量的能量特征，實現(xiàn)對風(fēng)機健康等級的評估以及健康指數(shù)的計算[11]?？傮w優(yōu)勢在于本系統(tǒng)可實現(xiàn)風(fēng)機運行狀態(tài)時的全線監(jiān)測評估，以大數(shù)據(jù)處理方法為支撐使得監(jiān)測過程及結(jié)果更加穩(wěn)定、一致、可靠。

2 風(fēng)機主軸故障發(fā)生后的分析處理方法

根據(jù)風(fēng)電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)機主軸設(shè)計使用壽命需大于20 年[13]。但主軸質(zhì)量易受生產(chǎn)過程、運輸過程、安裝過程等隨機偶然性事件帶來的直接或間接影響。在風(fēng)場實際工況中，一旦主軸發(fā)生破壞性故障，務(wù)必對主軸故障發(fā)生原因進行剖析并提出處理方法才能更好的保證風(fēng)機整體運行的安全性。

2.1 熱處理不當(dāng)導(dǎo)致的主軸斷裂故障

風(fēng)機主軸在運行過程中承受著復(fù)雜載荷，易在長期運轉(zhuǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生疲勞破壞，文獻[14]闡述了某風(fēng)機主軸在運行過程中突然斷裂失效的故障分析及處理方法。

2.1.1 故障分析方法

試樣制備過程應(yīng)嚴(yán)格遵守GB/T 2975-1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及制樣標(biāo)準(zhǔn)》，分別在斷面附近靠近軸徑1/2 處，在靠近主軸表層和軸心部位置各自取金相試樣一塊[14]。

（1）化學(xué)成分和力學(xué)性能判定

化學(xué)成分是決定金屬材料質(zhì)量的主要因素，可采用化學(xué)分析法和光譜分析法對失效軸進行定性定量分析，以驗證各元素含量是否符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。力學(xué)性能檢測是分析主軸斷裂的重要方法之一，采用萬能試驗機、沖擊試驗機以及布氏硬度計，分別對斷裂軸的力學(xué)性能、沖擊性能以及硬度進行測試[14]可判斷該軸綜合力學(xué)性能是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

（2）斷口分析

宏觀觀察：通過斷口處的宏觀形貌判斷裂紋走向，在整個斷口區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)明顯的瞬間斷裂區(qū)。從裂紋快速擴展的區(qū)域所占面積和存在的河流花樣特征，可以初步判斷為解理脆性斷裂。

圖4 斷裂軸斷口宏觀照片[14]

微觀觀察：對斷裂軸斷口進行SEM 分析（如圖5 所示），可從微觀角度判斷斷裂原因是否符合宏觀判斷。圖中可以看出明顯的河流狀花樣，準(zhǔn)解理特征明顯。

圖5 斷裂軸斷口SEM照片[14]

顯微組織分析：在斷口軸心部和軸表層取樣進行顯微組織分析，可根據(jù)觀察到的金相組織判斷熱處理環(huán)節(jié)是否存在問題。圖6 為顯微組織金相圖，由于未發(fā)現(xiàn)回火索氏體[15]可以推斷該軸未能充分調(diào)質(zhì)[16]，另外從圖中可以觀察到軸心部未能達到充分淬火。由此可以判斷此軸故障原因為熱處理環(huán)節(jié)不當(dāng)導(dǎo)致的裂紋萌生引發(fā)的解理脆性斷裂。

圖6 斷裂軸的顯微組織[14]

2.1.2 故障分析總結(jié)

為避免此類事故再次發(fā)生，主軸制造廠家應(yīng)提高熱處理水平，在盡量減小破壞的情況下優(yōu)化軸心、軸表層的組織檢驗和力學(xué)性能檢測流程；風(fēng)場應(yīng)加強故障監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)管應(yīng)用，做好裝機前的模擬載荷監(jiān)測。

2.2 潛在裂紋導(dǎo)致的主軸斷裂故障

文獻[17]闡述了一種由于存在潛在裂紋導(dǎo)致的主軸斷裂故障的分析及處理方法。

2.2.1 故障分析方法

宏觀觀察：從圖7 主軸斷口平坦，斷裂面平直與正應(yīng)力方向垂直，可以判斷此軸早期部分?jǐn)嗔裑17]后剩余聯(lián)接部分長期承載負(fù)荷，后期因軸截面積減小導(dǎo)致受力過大應(yīng)力集中而扭折斷裂，具備典型的脆性斷裂特征。

圖7 主軸斷口宏觀形貌[17]

圖8 酸浸試樣的金相組織[17]

顯微組織分析：在軸心部和軸邊緣取樣進行酸浸處理觀察金相組織，判斷故障原因是否來自鍛造過程或熱處理環(huán)節(jié)。根據(jù)微觀組織[17]形貌及金相組織純凈度判斷故障來源之一為主軸生產(chǎn)制造是鍛造比不夠，鋼的組織致密性不高，遺留了缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中。

為在金相顯微鏡下更清晰的觀察微觀形貌，試樣應(yīng)采用4%硝酸酒精浸蝕（如圖9 所示）可以看到試樣表面存在嚴(yán)重的點狀偏析，取試樣進行金相觀察發(fā)現(xiàn)了氫致裂紋（如圖10 所示），如果鋼冶煉水平較低，鋼水就會產(chǎn)生高溫吸氫現(xiàn)象，若鍛后未及時做好熱處理排氫措施，降溫后鑄件內(nèi)部就會出現(xiàn)螞蟻狀氫致裂紋，圖10a 為脫碳氫致裂紋，析氫機理：4H+C→CH4，圖10b 為未脫碳氫致裂紋，析氫機理：2H→H2。因此大型軸類用鋼的冶煉過程應(yīng)嚴(yán)格控制氫含量。

圖9 4%硝酸酒精浸蝕試樣的宏觀形貌[17]

圖10 氫致裂紋圖[17]

2.2.2 故障分析總結(jié)

針對鍛造比不夠，存在疏松、縮孔及粗大晶粒的問題，可以適當(dāng)增加鍛造比，控制始鍛溫度和終鍛溫度，以鍛合疏松和縮孔，細化晶粒，提高軸的力學(xué)性能。

針對存在高溫吸氫導(dǎo)致氫致裂紋問題，需要提高冶煉技術(shù)，完善退氫處理，可在冶煉過程中采用催化劑如氧化鉻、氧化鐵進行脫氫處理，以免產(chǎn)生氫致裂紋。

3 風(fēng)機主軸直接聯(lián)接部件引發(fā)的潛在故障

3.1 風(fēng)機主軸與輪轂聯(lián)接異響問題

輪轂與主軸的聯(lián)接面是風(fēng)電發(fā)電機中重要的聯(lián)接部分，在運轉(zhuǎn)過程中受到巨大的扭變載荷，是故障的易發(fā)區(qū)域。黃愛武[18]等人從主軸與輪轂栓接面的基本功能入手，對聯(lián)接異響[18]帶來的風(fēng)機主軸潛在故障威脅及處理方法進行分析研究。

首先根據(jù)表1 結(jié)合風(fēng)機額定功率、轉(zhuǎn)速、傳動效率、螺栓數(shù)量等計算扭矩，進而估算出主軸與輪轂聯(lián)接面間最低摩擦系數(shù)進而判斷出代表栓接面間螺栓參與沖擊剪切產(chǎn)生的異常低頻信號，在本例中當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)探測到低于30Hz 的低頻信號時，即可判斷主軸和輪轂栓接面間螺栓出現(xiàn)了沖擊剪切。

表1 滑動摩擦系數(shù)f[18]

最低摩擦系數(shù)計算公式[18]：

式中，T 為扭矩；n 為輪轂額定轉(zhuǎn)速；η 為傳動系統(tǒng)效率；fmin為最低摩擦系數(shù)；N 為螺栓數(shù)量；D 為分度圓直徑；Fi為單個螺栓的預(yù)緊拉力。

其次嚴(yán)格控制接觸面螺栓選用問題并論述了栓接面防腐選擇的要求，提出輪轂及主軸端面防腐等級需達到C3 級（海上風(fēng)電需達到C4 級以上）并采用含鋅量85%以上的無機富鋅漆噴涂防腐。在實際工況中嚴(yán)格把控上述事項即可對主軸和輪轂聯(lián)接端面異響故障起到預(yù)防作用。

3.2 風(fēng)機主軸軸承故障

主軸軸承[19]是風(fēng)力發(fā)電機組的核心承載零件，有數(shù)據(jù)表明30%的風(fēng)機機械故障源于軸承故障。而且主軸軸承與風(fēng)機主軸直接關(guān)聯(lián)，一旦發(fā)生故障將會導(dǎo)致主軸受力不均、應(yīng)力集中等現(xiàn)象，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)軸偏心，嚴(yán)重威脅主軸健康。主軸軸承作為風(fēng)電機組中風(fēng)葉、輪轂、主軸等大型部件的力學(xué)傳遞媒介，需要承受復(fù)雜的交變載荷包括其所支撐部件的重力，徑、軸向力，甚至包括風(fēng)力變化帶來的振動載荷。

軸承疲勞失效主要是指在內(nèi)外滾道和滾動體的接觸承載區(qū)由于長期承受交變載荷而生成疲勞裂紋，引發(fā)接觸區(qū)疲勞剝落最終導(dǎo)致軸承失效的故障形式；磨損失效是指滾道和滾動體之間由于潤滑不良，接觸面粗糙度增大等最終引發(fā)軸承運轉(zhuǎn)精度下降或振動、異響等故障形式；腐蝕失效是指由于酸堿性物質(zhì)侵入或密封性不好引發(fā)的軸承腐蝕；斷裂失效是指由于自身制造缺陷或承受載荷過大引發(fā)的破壞性故障形式；壓痕失效是指軸承過載導(dǎo)致在內(nèi)外滾道表面形成塑性凹坑的故障形式[20]。而且風(fēng)機主軸與軸承聯(lián)接緊密，一旦軸承失效發(fā)生故障極易導(dǎo)致主軸損傷破壞甚至威脅風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)的安全。主軸軸承常見的故障形式如圖11 所示，劉寶金[20]等人根據(jù)某次軸承破壞事故分析總結(jié)了以下故障分析思路：

圖11 主軸軸承常見故障情況[20]

（1）決定材料質(zhì)量的碳化物、偏析、含氧量和夾雜物含量等可參考我國制定的 JB/T 10705-2007《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機軸承》，GB/T 18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)，對故障軸承鋼進行檢測，以判斷故障是否源于材料質(zhì)量。

（2）發(fā)生故障時，應(yīng)對軸承保持架[21]、內(nèi)外圈、滾動體進行取樣分析其金相組織、顯微硬度和滲層深度。滾動體硬化層深度參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T8881-2011《滾動軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》進行確定；滾動體表面含碳量[22]按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T8881-2011《滾動軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》進行確定，最終熱處理后的軸承性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

（3）發(fā)生故障后可對滾動體、內(nèi)外滾道等進行宏觀觀察，若存在大量劃痕、壓痕、銹跡可檢查是否是各接觸體之間潤滑不良，滾動體與內(nèi)外圈及保持架之間接觸面上未形成有效油膜[23]引發(fā)的軸承損傷。滾動體與內(nèi)外圈道之間應(yīng)具備一定厚度的風(fēng)機潤滑油[24]，可在抗水、防銹、抗氧化等方面對軸承[25，26]起到保護。

3.3 故障分析總結(jié)

在風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中，與風(fēng)機主軸直接聯(lián)接的部件如輪轂、螺栓、前后主軸承[27-30]等均受到巨大的交變載荷作用，因此容易出現(xiàn)異響、破壞[31]等故障。針對聯(lián)接面異響問題，提出了防止低頻異響的注意事項，并從聯(lián)接面螺栓防腐、導(dǎo)電要求等提供了解決異響[36]的參考方法；針對主軸承[32-35]破壞威脅主軸健康運行問題，從材料選用、熱處理工藝、軸承潤滑等方面提供了詳盡的故障處理參考方案。

4 結(jié)論及展望

本文就風(fēng)機主軸故障預(yù)測及診斷及處理方法進行了簡單闡述，主要著手點為故障發(fā)生前和故障發(fā)生后。故障發(fā)生前主要利用計算機仿真分析軟件如：Bladed、ANSYS 和故障監(jiān)測系統(tǒng)如超聲在線監(jiān)測系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)流的風(fēng)機故障監(jiān)測系統(tǒng)進行故障的預(yù)測及實時監(jiān)測分析；故障發(fā)生后主要是從主軸斷裂特征、材料的組成成分、顯微組織、力學(xué)性能、冶金質(zhì)量進行故障分析溯源及處理；另外對容易間接引發(fā)主軸故障的風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)薄弱部件進行了討論。

風(fēng)場在實際運行中，應(yīng)及時做好故障預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)置，若后期出現(xiàn)主軸故障應(yīng)首先判斷故障源來自軸類自身或軸承，若為主軸自身故障可首先從宏觀角度對斷裂特征進行觀察，判斷斷裂時間及斷裂特征；其次根據(jù)斷裂特征可進行微觀檢測如SEM、金相顯微觀察以進一步判斷故障源來自冶煉過程或熱處理過程，此外還可綜合有限元法進行分析等。由于單件風(fēng)機主軸制造過程往往會涉及多個廠家，及時準(zhǔn)確的進行故障溯源可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟保護效益。