風機軸承故障監測和診斷

葉 盛 李 龍 胡旭馗

南車株洲電力機車研究所有限公司風電事業部 湖南株洲市

一、概述

風力發電機主軸軸承，電機主軸軸承運行狀態是否正常，往往直接影響到整臺風力發電機的性能，如精度、可靠性、壽命等。統計表明，風力發電機大約有30%的機械故障都是滾動軸承引起的，采用故障監測與診斷技術后，風力發電機事故發生率可降低75%，維修費用可減少25%～50%；采用狀態監測與故障診斷技術，可了解軸承的運行狀態及早發現潛在故障。對可能出現的故障提出預測、估計、判斷，可以有效提高風力發電機的運行管理水平及維修效能。

二、滾動軸承的失效形式

1.疲勞失效

滾動軸承的內外滾道和滾動體交替進入和退出承載區域，這些部件因長時間承受交變載荷的作用，首先從接觸表面以下最大交變切應力處產生疲勞裂紋，繼而擴展到接觸表面在表層產生點狀剝落，逐步發展到大片剝落，稱之為疲勞剝落。疲勞剝落往往是滾動軸承失效的主要原因，一般所說的軸承壽命就是指軸承的疲勞壽命。

2.磨損失效

由于滾道和滾動體的相對運動和塵埃異物引起表面磨損，潤滑不良會加劇磨損，結果使軸承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了軸承運轉精度，因而也降低了機器的運動精度，表現為振動水平及噪聲的增大。

3.腐蝕失效

水分或酸、堿性物質直接侵入會引起軸承銹蝕。當軸承內部有軸電流通過時，在滾道和滾動體的接觸點處引起電火花而產生電蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。

4.斷裂失效

當軸承所受載荷、振動過大時，內外圈的缺陷位置在滾動體的反復沖擊下，缺陷逐步擴展而斷裂。

5.壓痕失效

壓痕失效主要是由于滾動軸承受負荷后，在滾動體和滾道接觸處產生塑性變形。過量時在滾道表面形成塑性變形凹坑。裝配不當，或裝配敲擊也會造成壓痕失效。

6.膠合失效

對于滾動軸承，當滾動體在保持架內被卡住或者潤滑不足、速度過高造成摩擦熱過大，使保持架的材料粘附到滾子上而形成膠合。其膠合狀為螺旋形污斑狀。還有的是由于安裝的初間隙過小，熱膨脹引起滾動體與內外圈擠壓，致使在軸承的滾道中產生膠合和剝落。

三、滾動軸承的振動診斷

1.滾動軸承

診斷的目的可以及時、正確、有效地對風力發電機各種異常狀態和故障狀態做出診斷、預防或消除故障，同時對設備的運行維護進行必要的指導。確保風力發電機在運行中的可靠性、安全性和有效性。制定合理的檢（監）測維修制度，保證風力發電機工作時發揮最大的設計能力。在允許的條件下，充分挖掘設備潛力，延長風力發電機的服役期限和使用壽命，降低風力發電機全壽命周期費用。通過檢測監視、故障分析、性能評估，為風力發電機修改結構、優化設計、合理制造及生產過程工藝參數的控制，提供必要的依據。

2.故障診斷的任務

風力發電機故障診斷的基本任務包括：判斷設備的運行狀況；分析設備的故障原因；提供科學檢修的依據；降低設備維修和維護成本；提供決策信息，保證生產安全；工程竣工驗收與質量檢驗。

3.故障診斷的主要步驟

（1）信號采集。風力發電機劣化或發生故障后，會伴隨各種狀態信號出現，它們是故障信息的載體。所以，采集包含異常或故障信息的狀態信號是設備診斷技術的首要環節。采用合適的傳感器和測量方法來采集信號十分重要。

（2）信息處理。在采集設備有用信息的時候，很多干擾信號也會被采集，會使那些有用信號變的不明顯或雜亂無章。如何去除干擾，使有用信號突出表現出來，這就是信息處理的任務。

（3）故障識別。得到了有用的設備信息后，需要經過與標準或樣板模式進行對比，才能確定或判斷設備處于何種狀態。這一過程需要以識別技術作為理論基礎。在簡易診斷中可以參照某些標準，如ISO 2373、VDI 3834，加上運用已有的知識和經驗，即可做出判斷。在精密診斷中，必須通過計算機技術和各種分析技術，提取故障特征信號來對設備狀態做出判斷。

（4）預報技術。主要是對風力發電機故障的發展趨勢和剩余壽命進行預報。這對避免設備事故和減少損失是非常有意義的，目前可以使用的方法主要有線性回歸、主觀概率法等。

4.信號分析方法

（1）時域分析。指隨時間變化的物理量。通過監測時域波形，可以發現波形是否畸變，同時可以分析信號的周期、幅值和平穩性等特征。峰值和有效值是時域分析的兩個關鍵參數。

（2）包絡分析。包絡分析就是提取載附在高頻信號上的低頻信號，從時域上看，為取時域波形的包絡軌跡。像具有齒輪、軸承等零部件的旋轉機械故障診斷常常用到包絡分析。當旋轉機械的軸承零部件有點蝕、剝落等損傷類故障時，伴隨設備運轉這些故障會產生周期性脈沖沖擊力，激起設備的各階固有振動。選擇沖擊激起的高頻固有振動為研究對象。

5.傳感器的安裝

（1）傳感器的安裝方式：剛性螺栓安裝；絕緣螺栓家云母墊片；永久磁鐵；手持探針；薄蠟層粘接；粘結劑。各種安裝方式對頻率響應的影響見圖1。

圖1 各種安裝方式對頻率響應的影響

（2）傳感器的安裝原則。安全第一、傳遞路徑最短、傳遞剛性最大；確保傳感器連接牢固；表面平整，出去表面的碎片、塵土和成片的油漆；確信傳感器安裝方向正確；在不同時刻安裝的位置相同；在堅硬的物體上安裝加速度計。

6.滾動軸承故障分析

保持架故障頻率FTF=（1/2）{No［1+（d/D）cosφ]+Ni［1-（d/D）cosφ]}

滾動體旋轉故障頻率 BSF=（1/2）（D/d）|No-Ni|{[1-（d/D）cosφ]2}

外環故障頻率 BPFO=（1/2）n|No-Ni|[1-（d/D）cosφ]

內環故障頻率 BPFi=（1/2）)n|Ni-No|[1+（d/D）cosφ］

其中d滾動體直徑；D滾動軸承平均直徑（滾動體中心處直徑)；φ徑向方向接觸角；n=滾動體數目；No=軸承外環角速度；Ni=軸承內環角速度（=軸轉速）。

（1）外圈出現故障時的特征頻譜（圖2）。

圖2 外圈出現故障時的特征頻譜

（2）內圈出現故障時的特征頻譜（圖3）。

（3）滾動體出現故障時的特征頻譜（圖4）。

圖3 內圈出現故障的特征頻譜

圖4 滾動體出現故障時的特征頻譜

四、可診斷的典型故障類型

1.典型故障

（1）主軸承、齒輪箱損傷。轉軸偏心、不對中；齒輪齒面局部缺陷、輪齒沖擊；滾動軸承內/外圈滾道故障、滾動體故障、保持架故障。

（2）發電機。發電機轉子不平衡、不對中、軸彎曲；滾動軸承內/外圈滾道故障、滾動體故障、保持架故障、潤滑不良；電氣故障，如定子繞組問題。

2.軸承故障主要原因

（1）不平衡。不平衡是轉子質量分布不均勻造成的。不平衡的那部分質量在轉動中會產生離心力，離心力隨著不平衡質量的旋轉而引起振動。振動再傳到軸承上，是軸承上的個點每旋轉一周承受一次作用力。不平衡分為靜不平衡（圖5）、偶不平衡（圖6）和動不平衡（圖7），動不平衡是靜不平衡與偶不平衡的組合。

圖5 靜不平衡圖

圖6 偶不平衡圖

圖7 動不平衡圖

（2）不對中。兩個相連接的機械軸線不平行或不重合，一個或多個軸承安裝傾斜或偏心，即為不對中（圖8）。造成不對中的原因可以是裝配不當，調整不夠，基礎損壞，熱脹或聯軸節鎖死等。

圖8 不對中圖

聯軸器平行不對中（圖9），將產生2×轉子旋轉頻率的振動，即 2×。徑向振動大，1×、2×甚至 3×處有穩定的高峰，特別 2×分量可能超過1×分量。徑向相位相差180°。

圖9 聯軸器平行不對中圖

綜合不對中（圖 10），軸向和徑向振動都很大，4×～10×分量明顯。

圖10 綜合不對中圖

（3）轉子軸彎曲（圖 11）。1×、2×軸向振動很大；2×徑向較大，甚至超過1×；軸承兩邊相位變化明顯，一般相差＞60°。

圖11 轉子軸彎曲圖

（4）機械松動（圖12、13）。機械松動分為結構松動和轉動部件松動。造成機械松動的原因是：安裝不良、長期運行造成過度磨損、基礎或基座損壞和部件損壞等。特點是徑向振動大，特別是垂直方向振動大；振動具有高度的方向性；除基頻外，還有很大的倍頻分量，特別是3～10倍頻，可能伴有分數頻。

圖12 機械松動時振動頻譜

滾動軸承松動，故障典型特征常看到1×～10×分量（圖14）。

滾動軸承座松動，故障典型特征一般產生1×、2×、3×及0.5×分量，軸承座與基礎相位相反（圖15）。

圖13 機械松動時振動波形圖

圖14 滾動軸承松

圖15 滾動軸承座松動

圖16 結構（基礎）松動

結構（基礎）松動，故障典型特征是徑向產生式明顯的1×分量，對于臥式安裝的測定機器，垂直振動大于水平振動（圖16）。

五、總結

風力發電機主軸軸承，電機主軸軸承運行狀態是否正常，通過狀態監測與故障，了解軸承的性能狀態并及早發現潛在故障；對可能出現的故障提出預測、估計、判斷，可以有效提高風力發電機的運行管理水平及維修效能，具有顯著的經濟效益，提高風力發電機使用壽命。