風力發電機組軸承故障特征分析與應用

李 超

（華電內蒙古開魯風電有限公司，內蒙古 通遼 028000）

風力發電機組軸承故障特征分析與應用

李 超

（華電內蒙古開魯風電有限公司，內蒙古 通遼 028000）

分析風力發電機組的軸承故障類型、故障機理以及信號特征后，利用所述的軸承故障信號特征成功的驗證了風力發電機組軸承損傷的案例。

風力發電機組；軸承故障診斷；故障監測系統；信號特征

風力發電具有成分低、清潔無污染、建設周期短和占地面積小等優勢，目前已成為全球發展最快的可再生能源。為了獲取充分的風資源，風力發電機組設立在沙漠、高山等比較空曠的地方，長期工作于野外、暴曬和雷雨等惡劣環境之中，導致機組的損壞率高達40%～50%，若故障發現與維修不及時，不僅帶來嚴重的經濟損傷，更有可能造成重大事故。因此，在大力發展風力發電的同時，對風力發電機組的運行狀態進行有效的監控也有著日益迫切的需求。

一、風力發電機組軸承的故障機理與特征

在風力發電機組的機械傳動系統中，軸承是支撐風力發電機組正常運轉的主要部件，軸承損傷嚴重，將直接導致風機傳動系統失效。本論文主要討論滾動軸承的故障診斷。

按照軸承損傷部位分類，軸承故障可分為內圈故障、外圈故障、保持架故障以及滾動體故障。

在軸承運轉過程中，當軸承存在缺陷時，會形成激振力，當不同軸承部位存在損傷時，軸承產生的激振力會呈現不同的頻率特征，稱為軸承特征頻率，軸承特征頻率是軸承故障診斷的關鍵依據。軸承各特征頻率有理論計算公式如下。

軸承內圈特征頻率：

BPFI為軸承內圈特征頻率，BPI為軸承內圈特征系數。BPI物理定義：軸承旋轉一圈，軸承內圈上的某一損傷點與滾動體接觸的次數。

軸承外圈特征頻率：

BPFO為軸承外圈特征頻率，BPO為軸承外圈特征系數。BPO物理定義：軸承旋轉一圈，軸承外圈上的某一損傷點與滾動體接觸的次數。

軸承滾動體特征頻率：

BSF1為軸承單倍滾動體特征頻率，BS1為軸承單倍滾動體特征系數。BS1物理定義：軸承旋轉一周，滾動體上的某一損傷點與軸承內圈或外圈接觸的次數。單倍滾動體特征多出現在球軸承損傷的情況。

BSF2為軸承兩倍滾動體特征頻率，BS2為軸承兩倍滾動體特征系數。BS2物理定義：軸承旋轉一周，滾動體上的某一損傷點與軸承內圈和外圈接觸的總次數。兩倍滾動體特征頻率多出現在柱軸承損傷的情況。

軸承保持架特征頻率：

FT F為軸承保持架特征頻率，FT為軸承保持架特征系數。FT物理定義：軸承旋轉一圈，保持架上的某一損傷點相對于外圈旋轉的圈數。

上述軸承特征頻率計算公式中，d——軸承滾動體直徑；D——軸承的節圓直徑；N——軸承滾動體個數；α——軸承接觸角；n——軸承所在軸的旋轉頻率。

在實際診斷工作中，除了滾動體個數之外，很難獲取軸承部件的尺寸參數，但商家會提供各類軸承型號對應的軸承特征系數，因此可通過軸承特征系數以及當前軸承所在軸轉頻計算得到軸承的各個特征頻率。其中，調制現象存在于軸承損傷的過程中，且以調幅現象居多。掌握調制原理，能幫助我們更好的理解軸承的故障特征。調幅是指高頻載波信號的振幅隨低頻調制信號振幅的瞬時變化而變化。被調制的信號的頻譜顯示以載波信號頻率作為中心頻率，攜帶調制信號頻率的邊帶特征。

1.軸承內圈故障特征

當軸承內圈存在損傷時，在軸承運轉過程中，內圈的損傷部位與滾動體會產生接觸，由于載荷的作用，內圈損傷部位與滾動體之間會產生沖擊。在軸承旋轉一周的時間內，內圈損傷部位會與BPI個滾動體接觸，即產生BPI次沖擊，且每次沖擊之間的時間間隔相等（圖1）。

圖1 軸承內圈損傷的振動波形

提取振動信號的包絡，如圖2所示。

圖2 軸承內圈損傷的振動波形（帶包絡）

可以發現，內圈損傷對應的振動信號就是一種調幅信號，其中載波信號的頻率為BPFI，調制信號的頻率為n。從軸承的物理模型上解釋此調制現象：當軸承內圈損傷部位逐漸進入負載區時，軸承所承受的載荷增大，內圈與滾動體之間的作用力也增大，產生的沖擊也相對增大，當內圈的損傷部位逐漸遠離負載區時，隨著負載的減小，沖擊也隨之減小。對應的頻譜結構：以軸承內圈特征頻率為中心頻率，轉軸的旋轉頻率為邊帶（圖3）。

在實際內圈損傷的頻譜中，隨著內圈損傷嚴重程度的增加，會出現軸承內圈特征頻率的諧波成分，且各內圈諧波成分所攜帶的轉軸轉頻邊帶數量也會增多。

圖3 軸承內圈損傷的頻譜結構

2.軸承外圈故障特征

在軸承運轉過程中，當軸承外圈存在損傷時，同樣地，外圈的損傷部位與滾動體會產生沖擊，在軸承旋轉一周的過程中，會有BPO個滾動體經過外圈損傷位置，將產生BPO次沖擊，且每次沖擊之間的時間間隔相等（圖4）。

圖4 軸承外圈損傷的振動波形

外圈損傷的沖擊信號無調制現象，原因是軸承外圈一般處于固定狀態，即外圈的損傷點位置是固定的，因此每次損傷點與滾動體接觸時產生的沖擊，并沒有進入負載區與遠離負載區的區別。其對應的頻譜成分為軸承外圈特征頻率及諧波。

3.軸承滾動體故障特征

在軸承運轉過程中，當軸承滾動體存在損傷時，滾動體的損傷部位會與軸承內圈以及外圈產生沖擊。軸承每旋轉一周，滾動體的損傷點將與軸承內圈、外圈產生BS1或者BS2次沖擊，且每次沖擊之間的時間間隔相等。滾動體安裝在保持架上，因此滾動體將隨著保持架進行公轉，滾動體公轉一周的時間就是保持架旋轉一周的時間（圖5）。

圖5 軸承滾動體損傷的振動波形（球軸承）

提取滾動體損傷產生的振動信號的包絡（圖6）。

由于滾動體存在公轉，因此有進入、遠離負載區的狀況，與軸承內圈損傷情況一樣，其中載波信號的頻率為BSF1，調制信號的頻率為FT F。

球軸承滾動體損傷對應的頻譜結構為：以軸承單倍滾動體特征頻率為中心頻率，保持架特征頻率為邊帶。

圖6 軸承滾動體損傷的振動波形包絡（球軸承）

4.軸承保持架故障特征

當軸承保持架存在損傷時，在軸承運轉過程中，每當保持架的損傷部位運行到負載區時，滾動體會對保持架的損傷部位產生作用力，在振動信號中會表現成等時間間隔的沖擊，時間間隔為1/FT F。相應的頻譜成分為保持架特征頻率及諧波。

二、案例分析

以一次風機發電機軸承內圈剝落案例進行信號特征的分析。故障機組為1.5MW的雙饋機組，其發電機軸承信息如表1所示。

表1

對設備報警數據進行了分析。報警時刻對應的發電機轉速為1800r/min，即發電機轉頻為30Hz，根據軸承信息表，我們可以計算出發電機軸承在報警時刻的各個特征頻率，具體如表2。

表2

波形呈現顯著的沖擊特征，且沖擊存在周期性，兩次大沖擊之間還存在許多幅值稍小的等時間間隔沖擊，為典型的調幅特征（圖7）。相鄰兩次大幅值沖擊之間的頻率間隔，大約為30Hz，即發電機轉頻。相鄰兩個密集沖擊之間的頻率間隔，為145.5Hz，經查表發現，與發電機軸承的內圈特征頻率吻合。根據振動波形的特征分析，初步推斷發電機軸承內圈存在損傷。報警數據的頻譜中存在發電機轉頻（30Hz）的高能量成分，內圈特征頻率145Hz及豐富的諧波。此特征與軸承內圈損傷特征吻合（圖8）。且頻譜中，以內圈特征頻率的3倍頻，攜帶了豐富的發電機轉頻邊帶，此特征說明軸承內圈當前損傷的嚴重程度偏重（圖9）。

圖7 報警時刻的時域波形

圖8 報警時刻的頻譜

圖9 報警時刻的頻譜（3倍內圈特征頻率局部放大）

圖10 為現場檢修更換下來的故障軸承，內圈上的剝落清晰可見，且面積較大，與信號特征分析結果一致。

圖10 故障部件

[1]陳長征，胡立新，周勃等.設備診斷分析與故障診斷技術.北京：科學出版社，2007.

[2]樊永生.機械設備診斷的現代信號處理方法.北京：國防工業出版社，2009.

[3]黃之初.張家凡.滾動軸承故障脈沖信號提取及診斷：一種盲解卷積方法[J].振動與沖擊，2006.

[4]朱忠奎.旋轉機械非平穩特征表示和提取與故障診斷研究[D].合肥：中國科學技術大學學位論文.2004.

TK83

B

1671-0711（2016）05-0070-03