基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的雙饋發(fā)電機(jī)組軸電流故障分析

季曉龍，趙芡瑩

（1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江杭州 310012；2.杭州興源環(huán)保設(shè)備有限公司，浙江杭州 310058）

0 引言

近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的政策目標(biāo)，國(guó)家加大了新能源發(fā)展建設(shè)，隨著我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。電機(jī)是風(fēng)電設(shè)備的核心，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障主要集中在電機(jī)，而且大部分的電機(jī)故障是軸承失效，且由軸電流導(dǎo)致的軸承失效占比較高。如何保障發(fā)電機(jī)可靠運(yùn)行，提高軸承使用壽命，已成為各個(gè)整機(jī)廠商以及電機(jī)供應(yīng)商、軸承供應(yīng)商重要的研究方向。

1 軸電流引起的軸承損壞原因分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，變流器產(chǎn)生的共模及差模電壓是發(fā)電機(jī)產(chǎn)生軸電流的主要原因。以滾動(dòng)軸承為例，滾道上形成的搓板紋形損傷可以充分證明有較大的電流流過(guò)，產(chǎn)生搓板紋形損傷故障現(xiàn)象主要有兩個(gè)原因：

（1）在軸承滾動(dòng)體與滾道間，電流與潤(rùn)滑油中的殘酸及水分，形成電化學(xué)腐蝕。由于滾動(dòng)軸承的接觸基本上是點(diǎn)接觸，電流密度較大，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部較大強(qiáng)度的電化學(xué)腐蝕。

（2）滾動(dòng)軸承過(guò)度的潤(rùn)滑，導(dǎo)致軸承內(nèi)部形成的油膜不穩(wěn)定，隨著軸承轉(zhuǎn)動(dòng)忽大忽小，接觸電阻也在變化，導(dǎo)致間歇放電，引起軸承滾道的電腐蝕。電腐蝕的存在會(huì)導(dǎo)致滾道逐漸產(chǎn)生不平滑的表面，進(jìn)一步導(dǎo)致接觸不良，會(huì)使?jié)L道在幾周時(shí)間內(nèi)形成擴(kuò)大損傷的搓板紋形損傷。

以上兩種相近結(jié)果但不同機(jī)理的損傷是同時(shí)發(fā)生的，原因是軸電流反復(fù)作用擊穿油膜，導(dǎo)致間歇性電化學(xué)反應(yīng)形成電腐蝕，從而對(duì)軸承造成損傷。

2 滾動(dòng)軸承軸電流故障在振動(dòng)信號(hào)中的表現(xiàn)

2.1 滾動(dòng)軸承組成

滾動(dòng)軸承組成部件有外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體、保持架等。其中，外圈通常固定在軸承座上，內(nèi)圈與軸頸相配合，并于軸頸一起旋轉(zhuǎn)，滾動(dòng)體的數(shù)量、大小和形狀對(duì)滾動(dòng)軸承的承載能力有著決定性作用，而保持架則是用來(lái)防止?jié)L動(dòng)體脫落的。

2.2 軸承故障特征頻率

由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在速度和負(fù)載不斷變化的工況下，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，滾動(dòng)軸承成為最易損壞的部件。造成滾動(dòng)軸承故障的因素可分為外在因素和內(nèi)在因素兩大類(lèi)，外在因素主要有設(shè)備加工尺寸偏差、安裝和操作不當(dāng)、潤(rùn)滑油脂使用不當(dāng)、軸承油脂污染等，而內(nèi)在因素主要集中在滾動(dòng)軸承在運(yùn)行中受應(yīng)力、電腐蝕、化學(xué)腐蝕等。

滾動(dòng)軸承一旦發(fā)生故障，運(yùn)行時(shí)滾動(dòng)體每次接觸到故障部位就會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊響應(yīng)，采集到的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖通常會(huì)表現(xiàn)出沖擊特性，并在頻譜圖上產(chǎn)生滾動(dòng)軸承故障特征頻率。軸承的故障特征頻率計(jì)算公式見(jiàn)表1，其中R 為軸轉(zhuǎn)速、N 為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)、D 為軸承節(jié)圓直徑、d 為滾動(dòng)體直徑、α 為接觸角。

表1 軸承故障特征頻率計(jì)算公式

2.3 電流故障振動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)

圖1 為某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)示分布，在10#、11#兩個(gè)位置安裝有振動(dòng)傳感器，分別為發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端徑向測(cè)點(diǎn)、發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端徑向測(cè)點(diǎn)。當(dāng)故障機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1710 r/min時(shí)，滾動(dòng)軸承故障頻率見(jiàn)表2。

圖1 風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)示意

表2 滾動(dòng)軸承故障頻率

2.4 對(duì)11#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行圖形分析

（1）有效值趨勢(shì)圖分析。測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)有效值趨勢(shì)一直在上升，超過(guò)VDI3834[3]第一限度（10 m/s2）（圖2）。

圖2 11#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)有效值趨勢(shì)

（2）時(shí)域圖分析。從時(shí)域波形圖中未發(fā)現(xiàn)明顯的、有規(guī)律的沖擊現(xiàn)象（圖3）。

圖3 11#測(cè)點(diǎn)時(shí)域圖

（3）頻譜圖分析。在頻率1000～6000 Hz，存在等間隔頻率（101.9 Hz）的調(diào)制現(xiàn)象，近似軸承外圈故障特征頻率（圖4）。

圖4 11#測(cè)點(diǎn)頻譜圖

（4）三維頻譜圖分析。軸承外圈故障頻率最初在頻率3000～6000 Hz，隨著故障的惡化，由高頻段逐漸向低頻段發(fā)展，故障現(xiàn)象越來(lái)越明顯（圖5）。

圖5 11#測(cè)點(diǎn)的三維頻譜圖

由以上在線(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)分析可知，軸電流故障出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承上，振動(dòng)有效值趨勢(shì)隨著故障惡化而逐漸上升，時(shí)域圖中無(wú)法明顯地分辨出故障沖擊現(xiàn)象，但是在頻譜圖中發(fā)現(xiàn)軸電流故障。故障初期，在3000～6000 Hz 的范圍以軸承外圈故障頻率存在，隨著軸電流故障惡化，故障頻率越來(lái)越明顯，通過(guò)三維頻譜圖可以看到故障頻率逐漸向著低頻發(fā)展。

3 故障處理

現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)拆下發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承，并對(duì)其進(jìn)行切割，發(fā)現(xiàn)軸承軸承滾道上有搓板紋形損傷（圖6）。經(jīng)過(guò)更換軸承備件，該機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖6 軸承故障

4 結(jié)論

本研究從測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)有效值趨勢(shì)變化入手，初步確定軸承振動(dòng)異常，然后對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)域、頻譜、三維頻譜進(jìn)行分析，準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到軸承軸電流故障現(xiàn)象。對(duì)于軸承軸電流故障，可以通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，如果在故障初期進(jìn)行人為干預(yù)，可以延緩軸承軸電流故障的惡化、延長(zhǎng)軸承使用壽命。這也是基于在線(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)滾動(dòng)軸承軸電流故障監(jiān)測(cè)與分析診斷的典型思路。