風力發電機組軸承常見故障診斷與振動檢測

陳艷

摘 要：風能是一種分布廣泛、零污染且儲蓄豐富的可再生能源，而我國能源結構單一且分布不均，更加需要加強對風能的利用。然而風電故障的排查與診斷是風電發展必須面臨的問題，而軸承部位又是風力發電機組的核心所在。因此，加強風力發電機組軸承常見故障的診斷與振動檢測意義重大，本文就此展開討論。

關鍵詞：風力發電機組；軸承；常見故障；振動檢測

中圖分類號：TP27 文獻標志碼：A

軸承故障與齒輪箱故障幾乎占據了風力發電機組故障的大多數。發電機組的各種檢測傳感器均安裝在軸承座上，而各種軸承故障都是通過傳感器才發現的，所以我們通過傳感器所采集的信息就可以準確的判斷整個發電機組的工作狀況。然而在實際安裝中，軸承故障診斷與振動識別也是作為優先部分處理，科研投入也是占據了成本投入的一半以上。本文就風力發電機組軸承常見故障特征及原因進行詳細闡述，然后就軸承的振動檢測進行深入研究。

1 風力發電機組軸承常見故障特征及原因

1.1 風力發電機組軸承結構

軸承一般分為外圈、保持架、滾動體（滾珠）和內圈4個部分。軸承內部充滿油脂類物質，用于減少軸承滾動的阻力，也能分離軸承與其他部件的接觸，從而減少摩擦阻力。油脂還可以起到散熱與防止腐蝕的作用。所以為了防止外物對油脂的影響，我們一般會在保持架的兩端加裝防塵裝置，以免外物減弱油脂的各種作用。

1.2 風力發電機組軸承常見故障及診斷

支撐主軸軸承的外圈固定在軸承座上，機械傳動軸從主軸軸承內圈經過。風力帶動葉輪轉動，通過傳動鏈將動力傳輸給主軸，當主軸達到一定的載荷轉速時，由軸承和軸承座組成的振動系統就會產生激勵，也就是風機發電機組振動的產生。這種激勵振動一般是周期性振動，對受載體產生的撞擊力或摩擦力也會周期性的出現，長期疲勞極大可能產生軸承的局部損傷，因此需要加強對軸承振動頻率的監測。

根據長期的實踐經驗及理論知識的積累，從故障程度上可將軸承的故障類型分為初級損壞與中級損壞兩類。通常我們所見到的電流損害、磨損以及表面損壞等都是初級磨損；還有一些像破裂和散裂屬于中級損壞。我們還可以從損壞的位置來區分故障，可將其類型分成外圈故障、內圈故障、滾動體故障以及支撐部件的故障。

結合軸承結構示意圖，可將風電機組軸承的常見故障特征及產生原因歸納羅列如下：

（1）疲勞故障：故障特征表現為滾動體或者滾道表面脫落或者脫皮。故障產生原因為軸、保持架等支撐裝置制造工藝較低使得其精度不能保證，軸向長期過高負荷條件工作，對其性能產生很大的影響。

（2）磨損故障：我們可以從外觀來觀察故障的產生原因，一般磨損故障會產生色澤的變化，形成磨痕。故障產生原因為在微小間隙間的滑動磨損和長期惡劣環境中的長期使用。

（3）缺口或凹痕故障：分為過載及安裝或外來顆粒引起的缺口或凹痕。過載及安裝引起的特征表現為細小的缺口或凹痕分布在兩圈的滾道周圍和滾動元件里，是由于安裝不準確時形成的安裝壓力所引起；外來顆粒引起的特征表現為細小的缺口/凹痕分布在兩圈的滾道周圍和滾動元件里，是由于外來顆粒進入軸承所引起。

（4）腐蝕故障分為銹蝕、摩擦腐蝕、電化學腐蝕。銹蝕的表現特征為滾道間出現灰黑色的條紋，滾道和軸承及其表面出現銹蝕斑，是由于軸承里面進入水、濕氣或者腐蝕物所致；當我們對軸進行安裝時，有時可能過松會導致軸之間出現生銹現象；電化學腐蝕的表現特征為滾道和滾子出現深褐色或者灰黑色凹槽變黑，是由于有電流通過旋轉軸承所致。

2 風力發電機組軸承振動檢測

風力發電機組軸承的振動檢測包括現場數據的采集以及振動信號的預處理，采集的數據必須通過傳感器以固定的格式進行存儲，并且通過計算機手段對信息進行處理以及分析，這樣可以判斷出故障所在。通常我們在采集數據時受外界的干擾因素很多，因此傳感器的選取是重中之重。本節主要對振動傳感器的構成及市場上兩種常見的傳感器做詳細介紹。

振動傳感器的主要任務是采集振動信號并存儲任務，一般由電源、濾波器、模/數轉換器、CPU組成，通過傳感器的震動，可以將這些震動信息轉換成電信號，經過濾波然后通過模/數轉換器將電信號轉換成數字信號，這些信號將傳輸給計算機進行處理，這樣我們就可以得到自己想要的結果了。

電源：是為整個系統提供恒定的4mA能源，為整個傳感器系統提供動力。

濾波器：濾波器的主要作用是去掉偏置電壓，調制輸入信號，將信號源振幅控制在-5V～+5V范圍內，頻率變為0～90kHz。

CPU：它是由MCU和DPS共同組成，他們之間通過雙口RAM來實現信息的交換。MCU是數據的采集工以及系統的協調工，DSP則對終端數據進行處理與運算。

目前，市場上常見的壓電式傳感器主要有IEPE傳感器和ICP傳感器兩種，現作以下詳細介紹。

2.1 IEPE 振動傳感器

IEPE 振動傳感器實際是一種加速度傳感器，它可以對電量進行放大。加速度傳感器一般產生的電量較弱，當有其他因素對其干擾時很難撲捉到，所以我們要將其電量進行放大，從而得到質量較好的信號源。IEPE 振動傳感器就是集成了電信號放大器，具有較強的抗干擾能力，同時IEPE 還帶有一個恒流源，可以為加速度傳感器提供恒定的電流，市場上生產的一般為額定電流4mA。傳感器內部電路相當于一個電阻，我們知道電阻的大小和傳感器的加速度之間是成正比例關系的，所以我們看到的傳感器返回的信號電壓和加速度也就成正比。放大器的輸入范圍可以根據實際需要自行設定。

2.2 ICP 加速度傳感器

將壓電傳感器和電荷放大器兩者進行集成，這樣就組成了ICP加速度傳感器，同時具有較高的精度與可靠性。內部采用的隔離剪切技術可以對各個部分進行隔離，且ICP傳感器的輸出是簡單的兩線制，電流激勵線加地線，因此具有更優的抗干擾能力，而且設計簡便，使用可靠。

結語

風力發電機組軸承的狀態監測和故障診斷是發電機組正常運轉的重要保障，軸承故障診斷與振動檢測實際情況復雜多變，同一種產品在不同環境下所產生的結果也不相同。然而國內還缺乏更加系統和規范的行業標準，相關理論知識還不夠完善，因此需要去做更多的實驗及相應的分析總結，吸收更多國外先進的理論知識，來不斷完善我國風力發電機組軸承故障診斷與振動檢測的理論儲備。

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