風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承疲勞失效與電腐蝕故障的辨析

陳 星,許 峰

(國家電投集團(tuán) 湖南婁底新能源有限公司，湖南 婁底 417000)

0 引言

某風(fēng)場共有60臺風(fēng)電機(jī)組,自風(fēng)場投入運行兩年以來,已有9臺機(jī)組的發(fā)電機(jī)自由端軸承因故障進(jìn)行了更換,即占風(fēng)場總臺數(shù)15%的風(fēng)機(jī)更換過發(fā)電機(jī)自由端軸承。為減少發(fā)電機(jī)軸承的更換頻率,降低軸承失效帶來的損失,需通過對振動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析以及故障軸承拆解的情況,找出軸承批量發(fā)生疲勞失效和電腐蝕故障的原因。

1 風(fēng)電機(jī)組在線振動監(jiān)測與分析系統(tǒng)

風(fēng)電機(jī)組在線振動監(jiān)測與分析系統(tǒng)的基本監(jiān)測對象是風(fēng)電機(jī)組的傳動鏈，它通過安裝在機(jī)組傳動鏈特定位置的不同傳感器,獲得主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的振動、轉(zhuǎn)速等信號,同時運用專用分析算法對各種信號進(jìn)行處理,由此獲得故障特征量,從而對可能發(fā)生的故障隱患進(jìn)行判斷和預(yù)估,為機(jī)組的維修提供指導(dǎo)和建議。

本風(fēng)場60臺機(jī)組均為雙饋型風(fēng)電機(jī)組,每臺機(jī)組均配置了振動監(jiān)測與分析系統(tǒng)。風(fēng)電機(jī)組振動測點的布置如圖1所示,在主軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等傳動鏈關(guān)鍵部件上安裝有振動加速度傳感器。其中，測點1、5位于軸承上，測點2、3、4位于齒輪箱上，測點6、7位于發(fā)電機(jī)上。

1～7-測點

振動監(jiān)測與分析系統(tǒng)可實時監(jiān)測各測點的振動有效值、峰值、峰峰值、包絡(luò)峰值等特征值,并具有振動值超限報警功能。同時,系統(tǒng)還提供波形、頻譜、包絡(luò)譜、歷史趨勢等分析手段。

2 滾動軸承故障機(jī)理及特征

滾動軸承按其幾何形狀和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生獨特的頻率。有缺陷的軸承一般會產(chǎn)生4種基本的故障特征頻率,即外圈通過頻率(BPFO)、內(nèi)圈通過頻率(BPFI)、滾動體旋轉(zhuǎn)頻率(BSF)和保持架頻率(FTF)，分別表示為：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：f為旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)動頻率;β為接觸角;N為滾動體數(shù)量;Pd為節(jié)圓直徑;Bd為滾珠或滾柱直徑。

以上的軸承機(jī)械參數(shù)確定后,就能算出軸承故障特征頻率。在線振動監(jiān)測與分析系統(tǒng)一般都提供軸承數(shù)據(jù)庫,軸承數(shù)據(jù)庫會給出通用軸承的歸一化故障頻率。通過軸承型號和生產(chǎn)廠家即可查詢到軸承故障特征頻率。本次監(jiān)測的風(fēng)場發(fā)電機(jī)軸承有兩種型號,其中53臺機(jī)組的發(fā)電機(jī)驅(qū)動端和自由端軸承型號為SKF 6630M/C3,另外7臺機(jī)組的發(fā)電機(jī)驅(qū)動端和自由端軸承型號為FAG 6332/C3,其歸一化特征頻率(即頻率值除以轉(zhuǎn)速頻率，無單位)見表1。

表1 軸承型號及各故障特征頻率

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承振動狀態(tài)及分析

對本風(fēng)電場60臺機(jī)組的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析,我們發(fā)現(xiàn)正常和異常機(jī)組的數(shù)據(jù)有所不同,異常機(jī)組之間的數(shù)據(jù)也有區(qū)別。經(jīng)過對振動數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計,可將機(jī)組分成三種類型，即類型A——正常機(jī)組、類型B——異常機(jī)組和類型C——異常機(jī)組。機(jī)組類型統(tǒng)計如表2所示。

表2 風(fēng)電機(jī)組分類

3.1 類型A:正常機(jī)組

正常機(jī)組的振動狀態(tài)以3#機(jī)組為例,在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750 r/min時,發(fā)電機(jī)自由端的振動包絡(luò)峰值為0.02g,時域波形峰值為0.826g,有效值為0.243g,峰值系數(shù)(峰值/有效值)為3.39，如表3所示。

表3 正常機(jī)組發(fā)電機(jī)自由端特征值

圖2為3#機(jī)組發(fā)電機(jī)自由端振動圖譜及包絡(luò)圖譜。其中時域波形中橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為加速度值。

圖2 3#機(jī)組發(fā)電機(jī)自由端振動圖譜和包絡(luò)圖譜

分析圖2可獲得如下結(jié)論：①包絡(luò)峰值趨勢平緩;②包絡(luò)譜頻率散亂無規(guī)律;③頻譜前端存在低幅值轉(zhuǎn)頻,沒有諧波和邊帶;④時域波形沒有明顯沖擊;⑤振動有效值趨勢平緩。

3.2 類型B:異常機(jī)組

異常機(jī)組的振動狀態(tài)以11#機(jī)組為例,2019年6月初包絡(luò)譜中發(fā)現(xiàn)軸承特征頻率,包絡(luò)解調(diào)值趨勢上升，跟蹤運行至2020年9月更換。

2019年3月初,在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750 r/min時,發(fā)電機(jī)自由端的振動包絡(luò)峰值為0.002g,時域波形峰值為0.278g,有效值為0.074g,峰值系數(shù)值為3.73。2020年9月,同樣在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1 750 r/min時,其包絡(luò)峰值為101.55g,波形峰值為50.56g,有效值為6.281g,峰值系數(shù)值為8.05,其各主要特征值都出現(xiàn)大幅度的升高,具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 類型B異常機(jī)組發(fā)電機(jī)自由端特征值

11#機(jī)組發(fā)電機(jī)自由端振動圖譜及包絡(luò)圖譜如圖3和圖4所示。

分析圖3和圖4可獲得如下結(jié)論：①包絡(luò)峰值趨勢大幅度升高,幅值較大;②包絡(luò)譜檢測到軸承故障頻率;③故障期頻譜有諧波和邊帶;④時域波形有高幅值沖擊;⑤振動有效值趨勢大幅度升高,幅值較大;⑥頻譜底噪抬升明顯。

圖3 11#機(jī)組發(fā)電機(jī)自由端振動圖譜和包絡(luò)圖譜(2019.3)

圖4 11#機(jī)組發(fā)電機(jī)自由端振動圖譜和包絡(luò)圖譜(2020.9)

根據(jù)上述振動數(shù)據(jù)和圖譜的分析,我們初步判定此類機(jī)組的發(fā)電機(jī)自由端的滾動軸承出現(xiàn)了疲勞失效故障。

3.3 類型C：異常機(jī)組

異常機(jī)組的振動狀態(tài)以22#機(jī)組為例,2020年8月初發(fā)現(xiàn)振動有效值趨勢有上升跡象,頻譜出現(xiàn)軸承特征頻率,跟蹤運行至2021年3月更換軸承。

2020年5月初，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750 r/min時,發(fā)電機(jī)自由端的振動包絡(luò)峰值為0.190g,波形峰值為2.766g,有效值為0.642g,峰值系數(shù)值為4.30。2021年3月,同樣在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1 750 r/min時,包絡(luò)峰值為0.462g,波形峰值為9.284g,有效值為1.983g,峰值系數(shù)值為4.68,其振動有效值和波形峰值出現(xiàn)了大幅度的升高，具有數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 類型C異常機(jī)組發(fā)電機(jī)自由端特征值

22#機(jī)組發(fā)電機(jī)自由端振動圖譜及包絡(luò)圖譜因篇幅所限此處未給出。

分析圖譜和相關(guān)數(shù)據(jù)可獲得如下結(jié)論：①包絡(luò)峰值有明顯上升趨勢,但幅值不大;②包絡(luò)譜頻譜幾乎同時檢測到軸承特征頻率;③頻譜有明顯的工頻成分;④故障期頻譜有諧波、轉(zhuǎn)頻;⑤時域波形有低幅值沖擊;⑥振動有效值趨勢抬升明顯,但幅值不高;⑦頻譜底噪抬升不明顯。

根據(jù)上述振動數(shù)據(jù)和圖譜的分析,我們初步判定此類機(jī)組的發(fā)電機(jī)自由端的滾動軸承出現(xiàn)了電腐蝕失效故障。

3.4 故障驗證

對從9臺故障機(jī)組上更換下來的9套故障滾動軸承全部進(jìn)行整體拆解,以觀察損傷的特征,并分析損傷的原因。

類型B機(jī)組的軸承拆解照片如圖5所示,可以發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈滾道出現(xiàn)大面積剝落,為典型的疲勞失效特征。

圖5 類型B機(jī)組軸承拆解照片及放大圖

類型C機(jī)組的軸承拆解照片如圖6所示,軸承外圈滾道出現(xiàn)搓衣板狀的規(guī)則條紋,是電腐蝕給軸承帶來的損傷特征。

圖6 類型C機(jī)組軸承拆解照片及放大圖

結(jié)合振動數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn)正常軸承與失效軸承的振動狀態(tài)完全不同,通過仔細(xì)查看振動數(shù)據(jù)的差異,可比較容易地分辨兩者的區(qū)別。但軸承疲勞失效與電腐蝕故障,在振動狀態(tài)上大體相同,只是在頻譜的底噪和振動的幅值上有一些細(xì)微的差異。

4 滾動軸承疲勞失效和電腐蝕機(jī)理闡述

4.1 滾動軸承疲勞失效

滾動軸承疲勞是指由滾動體和滾道接觸處產(chǎn)生的重復(fù)應(yīng)力引起的組織變化。疲勞明顯的表現(xiàn)為顆粒從表面剝落。疲勞失效分為次表面起源型和表面起源型。次表面起源型疲勞是指在滾動接觸載荷作用下組織發(fā)生變化,并在表面下某一深度(即次表面)開始出現(xiàn)顯微裂紋,顯微裂紋的出現(xiàn)常常是由軸承鋼中的夾雜物引起的,見圖7;表面起源型疲勞是由表面損傷造成的一種失效模式,表面損傷是潤滑狀況劣化或軸承在滾動接觸部位未形成油膜的條件下運轉(zhuǎn)且出現(xiàn)一定程度滑動時,對金屬表面凸微體的損傷,它將引起凸微體的顯微裂紋和顯微剝落。由此可見，表面和次表面起源型疲勞失效都是從微觀裂紋發(fā)展至宏觀缺陷的，如圖8所示。

圖7 次表面顯微裂紋 圖8 次表面疲勞擴(kuò)展

4.2 滾動軸承電蝕

電流引起的軸承問題由來已久,當(dāng)電流通過滾動體和潤滑油膜從軸承的一個套圈傳遞至另一個套圈時,由于絕緣不良或電機(jī)軸上的感應(yīng)電壓足以克服軸承潤滑劑的擊穿電壓時,在接觸區(qū)域內(nèi)就會發(fā)生擊穿放電,對軸承造成損傷,從而影響軸承的使用壽命。

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸電壓是由發(fā)電機(jī)兩軸承端或電機(jī)轉(zhuǎn)軸與軸承間所產(chǎn)生的電壓,其產(chǎn)生原因一般有以下幾種：①機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器各自產(chǎn)生的共模電壓均會在軸上感應(yīng)出軸電壓；②磁不對稱引起的軸電壓；③漏磁通引起的軸電壓。

軸電壓達(dá)到一定值時,通過軸承及其底座等形成閉合回路產(chǎn)生電流,這個電流稱為軸電流,電流穿過軸承流經(jīng)電機(jī)并通過接地的基礎(chǔ)框架,隨著時間推移,軸承套圈和滾動體之間的接觸區(qū)域表面材料就會慢慢移失,呈現(xiàn)出電蝕特有的損傷特征，即波紋狀凹槽,見圖9,這些凹槽是等距的。

圖9 電流泄漏形成的波紋狀凹槽

4.3 兩類故障的辨析

比較兩種類型的故障總結(jié)如下：振動傳感器對次表面裂紋引發(fā)的沖擊有較明顯的頻響,所以在故障較早期就可以在包絡(luò)譜中發(fā)現(xiàn)軸承特征頻率,而軸承的電蝕是軸承套圈和滾動體之間接觸區(qū)域材料的緩慢移失,即疲勞失效是從次表面開始,電腐蝕是從材料表面開始。我們利用這一特性,并接合頻譜中是否存在工頻,可以區(qū)分軸承的疲勞失效和電腐蝕故障的頻譜特征。軸承電腐蝕在高頻段不會引發(fā)沖擊,所以包絡(luò)譜中比較難發(fā)現(xiàn)軸承缺陷頻率,當(dāng)存在缺陷時,故障特征頻率已出現(xiàn)在中低頻段的頻譜中。

5 故障預(yù)防及維修

本風(fēng)場53臺機(jī)組的發(fā)電機(jī)軸承型號為SKF 6630M/C3,該型號為絕緣軸承,能有效抑制軸電流。因此我們陸續(xù)將其他7臺機(jī)組使用的非絕緣軸承全部替換成了絕緣軸承。對于軸承出現(xiàn)疲勞磨損現(xiàn)象的機(jī)組,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)其自動潤滑裝置的給油量與其他正常機(jī)組相比偏低,我們對給油量進(jìn)行了及時調(diào)整。經(jīng)整改后,風(fēng)場的60臺風(fēng)電機(jī)組至今運轉(zhuǎn)正常,再未出現(xiàn)類似故障現(xiàn)象。