風(fēng)電機(jī)組出廠試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)軸承的振動和噪聲問題

文 | 許國東，涂剛，周顯勇，宋海良

風(fēng)電機(jī)組出廠試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)軸承的振動和噪聲問題

文 | 許國東，涂剛，周顯勇，宋海良

十余年來，雙饋式風(fēng)電機(jī)組在國內(nèi)外風(fēng)電市場均占據(jù)主流地位，表現(xiàn)出了良好的性價(jià)比，國內(nèi)早期安裝的機(jī)組由于一些非理性因素的影響，運(yùn)行不盡人意，近年來各廠商都根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況不斷改進(jìn)，目前已能達(dá)到和進(jìn)口設(shè)備同等的性能和可靠性。早期部分散繞組結(jié)構(gòu)的雙饋異步發(fā)電機(jī)出現(xiàn)過大量絕緣問題，目前成型繞組結(jié)構(gòu)的雙饋異步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行穩(wěn)定性方面已經(jīng)得到了很大提高。

對電機(jī)軸承運(yùn)行狀況的主要判斷手段為監(jiān)測振動頻譜與聽覺檢查，該方法在現(xiàn)場運(yùn)行中得到廣泛使用。目前部分運(yùn)營商對整機(jī)出廠試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)的噪聲和振動提出要求，但由于表現(xiàn)的量值輕微并存在一定的偶然性，同時(shí)也缺乏有效的判據(jù)，有時(shí)很難達(dá)成共識，本文即根據(jù)軸承噪聲和振動機(jī)理結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行分析。

發(fā)電機(jī)軸承振動和噪聲的成因與評價(jià)依據(jù)

一、發(fā)電機(jī)軸承振動和噪聲的成因

振動即物體的往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)振動頻率在一定范圍內(nèi)通過介質(zhì)被人的聽覺器官感知?jiǎng)t為聲音，當(dāng)聲音的成分為令人不愉快的、不希望存在，則為噪聲。噪聲必然由振動導(dǎo)致，但振動不一定會導(dǎo)致噪聲。雖然工業(yè)應(yīng)用一直追求軸承運(yùn)行的平穩(wěn)和靜音化，但振動和噪聲的關(guān)聯(lián)性理論一直被公認(rèn)是不成熟的，仍存在很多問題需要探究。

無論軸承的制造技術(shù)和安裝工藝如何先進(jìn)，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中總會出現(xiàn)振動和噪聲，從成因考慮，可以做以下簡要分類。

（一）結(jié)構(gòu)性因素

結(jié)構(gòu)性因素即為軸承雖滿足制造和安裝要求，由于結(jié)構(gòu)因素仍不可避免會產(chǎn)生一定的振動和噪聲，但并不影響其運(yùn)行表現(xiàn)。

1．滾動噪聲

滾動噪聲即軸承運(yùn)行時(shí)平滑連續(xù)的聲響，其頻率成分和轉(zhuǎn)速沒有對應(yīng)關(guān)系，主要為軸承結(jié)構(gòu)的固有頻率，當(dāng)轉(zhuǎn)速越高、潤滑脂粘度越低時(shí)，其發(fā)射的聲功率越大。滾動噪聲是不可避免的，就軸承本身而言，只能通過改善加工質(zhì)量來獲得優(yōu)化。滾動噪聲功率譜和轉(zhuǎn)速的關(guān)系可見圖1，該結(jié)論來自日本NSK技術(shù)中心以JIS B 1548標(biāo)準(zhǔn)對滾動軸承單體的噪聲分析。

2．碰撞噪聲

當(dāng)滾動軸承的軸向負(fù)載不足，那么旋轉(zhuǎn)軸系為水平方向的軸承在低轉(zhuǎn)、低負(fù)載運(yùn)行時(shí)就會因?yàn)槲恢每可喜康臐L子的重力而下落，觸碰到保持架或軸承內(nèi)圈，因而產(chǎn)生碰撞噪聲。在加大軸承預(yù)負(fù)荷、減小軸承游隙的情況下，該噪聲會得到降低，但軸承溫升可能增高。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高或潤滑脂粘度增大時(shí)，碰撞噪聲將得以減弱。

3．尖嘯

尖嘯聲主要發(fā)生在大尺寸的脂潤滑圓柱滾動軸承和滾珠軸承的特定轉(zhuǎn)速區(qū)域，從目前國際研究的結(jié)果看，主要成因在于局部潤滑不充分，可能和潤滑脂本身的性質(zhì)有關(guān)，但也可能在特定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，由于軸承結(jié)構(gòu)的特征振動引發(fā)了潤滑不良。尖嘯聲通常不會導(dǎo)致軸承溫升異常，也不會影響潤滑脂和軸承壽命。

4．保持架噪聲

滾動體和保持架、滾道之間存在間隙，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)必然產(chǎn)生輕微碰撞，產(chǎn)生一定的噪聲。此外，在保持架導(dǎo)引滾動體時(shí)，也有可能因潤滑油膜形成不夠良好，滾動體和保持架產(chǎn)生輕微滑動摩擦而促使保持架振動產(chǎn)生噪聲，在低溫或油脂變性時(shí)容易出現(xiàn)該問題。

5．滾動體通過噪聲

該噪聲產(chǎn)生的機(jī)理在于滾動體在圓周方向的不同位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸中心并不始終處于恒定的圓心上，而是有輕微的移動，在軸承承受徑向載荷時(shí)即表現(xiàn)為載荷的周期性波動，從而引起特定頻率的振動和噪聲，該頻率為滾動體回轉(zhuǎn)頻率fc和滾動體數(shù)量Z的乘積。任何滾動軸承都存在該現(xiàn)象，但通常都比較輕微。

（二）制造因素

雖然現(xiàn)有的雙饋發(fā)電機(jī)軸承均由國際一線廠商提供，但不可避免地仍然會存在滾道圓度、波紋度、粗糙度、溝形偏差和球形偏差等精度問題。目前雙饋發(fā)電機(jī)軸承均為進(jìn)口產(chǎn)品，制造因素通常只在軸承運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生本底的白噪聲，在轉(zhuǎn)速升高時(shí)隨之增大。

（三）安裝因素

在軸承安裝過程中，因不恰當(dāng)?shù)墓に嚬ぱb，導(dǎo)致的推擠、敲擊、碰撞都可能對軸承造成永久性傷害，而軸承的安裝環(huán)境也應(yīng)該保持潔凈無塵。

1．表面瑕疵產(chǎn)生的噪聲

表面瑕疵可能產(chǎn)生于滾道，也可能產(chǎn)生于滾動體。當(dāng)瑕疵產(chǎn)生于滾道時(shí)，其噪聲與振動特性在頻域上和旋轉(zhuǎn)速度總體相關(guān)，但在時(shí)域上未必能體現(xiàn)直觀的周期性，更多地和瑕疵的位置有關(guān)。當(dāng)瑕疵產(chǎn)生于滾動體，其周期性特征將更為明確。當(dāng)潤滑脂的粘度更高，表面瑕疵產(chǎn)生的振動和噪聲將被弱化。

2．污染物

安裝場地如有灰塵、鐵屑等污染物，那么將不可避免地影響到軸承內(nèi)部。滾動軸承的有效油膜厚度通常只有0.2μm左右，超過該尺寸的硬質(zhì)顆粒物即可能對軸承滾動體和滾道造成刮擦痕跡或增大表面粗糙度，進(jìn)而導(dǎo)致噪聲和振動的產(chǎn)生，但該因素導(dǎo)致的振動和噪聲往往沒有清晰的頻率特征。

（四）運(yùn)輸因素

由于風(fēng)電機(jī)組安裝地通常比較偏遠(yuǎn)，從發(fā)電機(jī)出廠到現(xiàn)場安裝完成需要經(jīng)過兩次倒運(yùn)，尤其整機(jī)出廠時(shí)運(yùn)輸條件較差。在包裝固定條件差的情況下，容易出現(xiàn)因運(yùn)輸振動導(dǎo)致的軸承徑向偽布式壓痕，從而產(chǎn)生振動和噪聲，該因素引起的振動和噪聲表現(xiàn)近似于表面瑕疵。

（五）運(yùn)行因素

雙饋異步發(fā)電機(jī)軸承在運(yùn)行時(shí)，有很多因素會影響軸承的失效，并導(dǎo)致不同形態(tài)的振動和噪聲。在初裝機(jī)組地面試驗(yàn)時(shí)，軸承本身未受到疲勞效應(yīng)產(chǎn)生的損傷，但如供電品質(zhì)不良，仍有可能因此激發(fā)振動和噪聲。

二、發(fā)電機(jī)噪聲與振動的評價(jià)依據(jù)

人耳的聽覺對頻率的感知能力為20 Hz－20000Hz，但人對于不同頻率的聲音其敏感度是不同的，根據(jù)等響曲線可知，人的聽覺敏感頻率范圍為300 Hz－6000Hz，最為敏感的是3000 Hz－4000Hz。

日本于1960年制定了全球第一個(gè)有關(guān)軸承噪聲的國家標(biāo)準(zhǔn)JIS B 1548《滾動軸承聲壓級測量方法》，目前最新的版本為1995年頒布，從標(biāo)準(zhǔn)文本看，只是描述了方法，測量固定轉(zhuǎn)速下的聲壓值，但未有限定值要求，對噪聲的頻率成分也不進(jìn)行測量。美國、德國也有提出關(guān)于滾動軸承噪聲測量方法的國家標(biāo)準(zhǔn)，但各國迄今均未有提出對滾動軸承噪聲的限定值要求，更不涉及噪聲的頻率分布。

對振動的測試可采用位移、速度、加速度測量的方法，但自2004年發(fā)布了ISO 15242《滾動軸承 振動測量方法》以及我國頒布對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB/T24610－2009以后，確立了以速度測量值為軸承振動評價(jià)的優(yōu)先選擇。根據(jù)ISO15252，對滾動軸承的振動評價(jià)規(guī)定為三個(gè)頻段：50 Hz－300Hz，300 Hz－1800Hz， 1800 Hz－10000Hz。

針對雙饋異步發(fā)電機(jī)，則另有等同于IEC60034－14標(biāo)準(zhǔn)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10068-2008《軸中心高為56mm及以上電機(jī)的機(jī)械振動 振動的測量、評定及限值》可作為參照，該標(biāo)準(zhǔn)引用的ISO2954規(guī)定的測量設(shè)備響應(yīng)頻率為10 Hz－1000Hz。

針對雙饋風(fēng)電機(jī)組主軸承、齒輪箱和發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場運(yùn)行振動評價(jià)，可參考的依據(jù)是VDI3834-2009《陸上帶齒輪箱風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組及其組件機(jī)械振動測量與評估》，但該標(biāo)準(zhǔn)明確指出其內(nèi)容不適用于在制造商的地面測試平臺對齒輪箱、發(fā)電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行振動評價(jià)，而應(yīng)采用針對齒輪箱和發(fā)電機(jī)的部件標(biāo)準(zhǔn)ISO 8579－2和IEC60034－14。

綜上可見，噪聲和振動雖然有關(guān)聯(lián)性，但其頻率范圍還是存在有顯著的差異，如日本即規(guī)定1000Hz以下屬于振動問題，1000Hz以上屬于噪聲問題。各國對滾動軸承的噪聲測試均要求在靜音環(huán)境下，測試對象也只是滾動軸承單體。發(fā)電機(jī)或風(fēng)電整機(jī)做試驗(yàn)時(shí)顯然無法滿足環(huán)境要求，滾動軸承在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)的噪聲受到非常多因素的影響，難以進(jìn)行有效的評價(jià)。

雖然說噪聲是由振動引起的，但即便根據(jù)JIS B 1548對軸承單體進(jìn)行運(yùn)行實(shí)測，關(guān)聯(lián)度也只在70%左右，也有實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為噪聲主要體現(xiàn)在與振動速度的關(guān)系，而不是體現(xiàn)在與振動加速度的關(guān)系。

由于測量噪聲的環(huán)境和儀器條件比較苛刻，對軸承的評價(jià)也不如振動測量更為直觀有效，ISO/TC4組織在2007年決定取消了對滾動軸承噪聲測量方法的國際標(biāo)準(zhǔn)制訂項(xiàng)目，因而滾動軸承應(yīng)以振動作為主要的評價(jià)手段，以速度為主要的評價(jià)指標(biāo)。

地面試驗(yàn)情況

某項(xiàng)目的1.5MW雙饋風(fēng)電機(jī)組在整機(jī)出廠試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸承在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在異響，為此進(jìn)行了一系列的噪聲和振動試驗(yàn)。軸承異響的具體表現(xiàn)為，整機(jī)空載試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在700rpm運(yùn)行時(shí)，除正常的滾動噪聲外，夾雜輕微低頻碰撞噪聲，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1800rpm運(yùn)行時(shí)，碰撞噪聲不明顯，但初始運(yùn)行時(shí)偶有刺耳的尖嘯，長時(shí)運(yùn)行后尖嘯消失，驅(qū)動端和非驅(qū)動端均有該現(xiàn)象。風(fēng)電整機(jī)在各轉(zhuǎn)速的空載情況下，對發(fā)電機(jī)軸承進(jìn)行了振動和噪聲測試，發(fā)電機(jī)為傳動端上傾5度。該電機(jī)軸承型號為6332，典型本征頻率見表1，噪聲測量頻率范圍為0 Hz－20KHz，振動速度測量頻率范圍為0 Hz－1000Hz，振動加速度測量頻率范圍為0 Hz－5000Hz。

從圖2－圖4的測量發(fā)電機(jī)運(yùn)行噪聲頻譜可見，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的700rpm和1800rpm相比，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，低頻段和高頻段噪聲尖峰的頻率值也變高，但和轉(zhuǎn)速的變化并不呈現(xiàn)比例關(guān)系。上述現(xiàn)象說明軸承被安裝到發(fā)電機(jī)上后，結(jié)合圖1可見，其運(yùn)行的基本噪聲頻譜特征和典型的滾動軸承單體噪聲頻譜并不完全吻合。同為1800rpm運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)尖嘯產(chǎn)生時(shí)，高頻段成分顯著增大，有特征尖峰產(chǎn)生。

一、振動速度

從圖5和圖6的振動速度頻譜可見，在1800rpm運(yùn)行時(shí)，各方向振動均顯著大于700rpm時(shí)，但也沒有超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在700rpm和1800rpm下，轉(zhuǎn)頻及其二倍頻的成分顯著，為高轉(zhuǎn)速運(yùn)行下，轉(zhuǎn)子動平衡及其變頻器三相供電對稱性的反映，其余各頻率峰值為軸承內(nèi)、外圈頻率及其倍頻。

振動速度測量范圍為0 Hz－1000Hz，但在此頻段范圍內(nèi)，結(jié)合圖2－圖4，可見振動速度的特征頻點(diǎn)和噪聲聲壓的特征頻點(diǎn)并無顯著關(guān)聯(lián)性。

二、振動加速度

從圖7和圖8的加速度測量頻譜可見，雖然頻率范圍和速度頻譜不同，但高頻成分遠(yuǎn)大于低頻成分。噪聲頻譜中，低頻段也占有相當(dāng)?shù)某煞郑駝蛹铀俣阮l譜中低頻段成分則不顯著。

表1 6332軸承在700rpm和1800rpm下的特征頻率

結(jié)合圖2－圖4的噪聲測量頻譜可見，振動加速度特征頻率在高頻頻段上的分布和噪聲頻譜的特征頻率有高度的吻合性，低頻頻段則體現(xiàn)不出和噪聲頻譜的關(guān)聯(lián)性，這說明軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)作為基本面的滾動噪聲并非來源于三維方向的振動，更多的應(yīng)來源于圓周滾動方向，由于滾動體和滾動的表面粗糙度而產(chǎn)生。

從振動加速度頻譜和噪聲頻譜對照可見，尖嘯聲對應(yīng)的噪聲特征頻率在加速度頻譜上體現(xiàn)為3000Hz－5000Hz范圍內(nèi)的陡峰，由于人耳對該頻段特別敏感，并且在加速度頻譜中上述陡峰沒有邊頻帶的掩護(hù)而產(chǎn)生了刺耳的尖嘯。加速度頻譜中，從尖嘯噪聲頻率沒有邊頻帶掩護(hù)的特性可以推定，該特征頻率振動的生成機(jī)理和其他頻率的振動不同，并不來源于機(jī)械體碰撞，而應(yīng)該是潤滑油脂量不足，運(yùn)轉(zhuǎn)中氣穴破裂而導(dǎo)致，可通過加注油脂進(jìn)行消除。

同時(shí)，結(jié)合振動速度和加速度頻譜可見，存在外圈頻率及其倍頻的特征值，低轉(zhuǎn)速時(shí)相對更明顯，結(jié)合低速運(yùn)轉(zhuǎn)下存在輕微的碰撞噪聲，可推斷該軸承預(yù)負(fù)荷存在不足或不均勻的現(xiàn)象，上述問題經(jīng)相應(yīng)的處理后得到有效的解決。

總結(jié)

軸承的振動和噪聲具有復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)被安裝到設(shè)備上以后影響因素就更為多樣。在設(shè)備帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，振動特征將會比較顯著，在不同壽命期就振動測試結(jié)果進(jìn)行縱向比對也能有效地分析故障的發(fā)展原因與階段。

對于初裝機(jī)組地面空載或低負(fù)載運(yùn)行工況，故障特征由于比較輕微而難以分辨，如以拖動設(shè)備帶動被試設(shè)備運(yùn)行試驗(yàn)，同樣難以避免受到拖動設(shè)備的影響。同時(shí)，在進(jìn)行高分辨力的頻譜測試時(shí)，由于測試設(shè)備和傳感器安裝也可能對整機(jī)地面試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響。

風(fēng)電整機(jī)出廠時(shí)進(jìn)行振動和噪聲測試有助于發(fā)現(xiàn)早期缺陷，但噪聲由于聽覺特性和難以準(zhǔn)確測量的原因，分辨和判斷也多出于主觀，因而并不足以評價(jià)軸承運(yùn)行狀況，仍應(yīng)以振動作為根本判據(jù)。

軸承安裝到發(fā)電機(jī)上后，其噪聲特征和軸承單體的噪聲特征存在一定的差異。噪聲在1kHz以上頻段和振動加速度的特征頻率有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，但其頻率形成的機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。

（作者單位：浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）