风力发电机组轴承故障特征分析与应用

2016-11-29李超

中国设备工程 2016年5期

关键词：保持架特征频率内圈

李超

（华电内蒙古开鲁风电有限公司，内蒙古通辽 028000）

风力发电机组轴承故障特征分析与应用

李超

（华电内蒙古开鲁风电有限公司，内蒙古通辽 028000）

分析风力发电机组的轴承故障类型、故障机理以及信号特征后，利用所述的轴承故障信号特征成功的验证了风力发电机组轴承损伤的案例。

风力发电机组；轴承故障诊断；故障监测系统；信号特征

风力发电具有成分低、清洁无污染、建设周期短和占地面积小等优势，目前已成为全球发展最快的可再生能源。为了获取充分的风资源，风力发电机组设立在沙漠、高山等比较空旷的地方，长期工作于野外、暴晒和雷雨等恶劣环境之中，导致机组的损坏率高达40%～50%，若故障发现与维修不及时，不仅带来严重的经济损伤，更有可能造成重大事故。因此，在大力发展风力发电的同时，对风力发电机组的运行状态进行有效的监控也有着日益迫切的需求。

一、风力发电机组轴承的故障机理与特征

在风力发电机组的机械传动系统中，轴承是支撑风力发电机组正常运转的主要部件，轴承损伤严重，将直接导致风机传动系统失效。本论文主要讨论滚动轴承的故障诊断。

按照轴承损伤部位分类，轴承故障可分为内圈故障、外圈故障、保持架故障以及滚动体故障。

在轴承运转过程中，当轴承存在缺陷时，会形成激振力，当不同轴承部位存在损伤时，轴承产生的激振力会呈现不同的频率特征，称为轴承特征频率，轴承特征频率是轴承故障诊断的关键依据。轴承各特征频率有理论计算公式如下。

轴承内圈特征频率：

BPFI为轴承内圈特征频率，BPI为轴承内圈特征系数。BPI物理定义：轴承旋转一圈，轴承内圈上的某一损伤点与滚动体接触的次数。

轴承外圈特征频率：

BPFO为轴承外圈特征频率，BPO为轴承外圈特征系数。BPO物理定义：轴承旋转一圈，轴承外圈上的某一损伤点与滚动体接触的次数。

轴承滚动体特征频率：

BSF1为轴承单倍滚动体特征频率，BS1为轴承单倍滚动体特征系数。BS1物理定义：轴承旋转一周，滚动体上的某一损伤点与轴承内圈或外圈接触的次数。单倍滚动体特征多出现在球轴承损伤的情况。

BSF2为轴承两倍滚动体特征频率，BS2为轴承两倍滚动体特征系数。BS2物理定义：轴承旋转一周，滚动体上的某一损伤点与轴承内圈和外圈接触的总次数。两倍滚动体特征频率多出现在柱轴承损伤的情况。

轴承保持架特征频率：

FT F为轴承保持架特征频率，FT为轴承保持架特征系数。FT物理定义：轴承旋转一圈，保持架上的某一损伤点相对于外圈旋转的圈数。

上述轴承特征频率计算公式中，d——轴承滚动体直径；D——轴承的节圆直径；N——轴承滚动体个数；α——轴承接触角；n——轴承所在轴的旋转频率。

在实际诊断工作中，除了滚动体个数之外，很难获取轴承部件的尺寸参数，但商家会提供各类轴承型号对应的轴承特征系数，因此可通过轴承特征系数以及当前轴承所在轴转频计算得到轴承的各个特征频率。其中，调制现象存在于轴承损伤的过程中，且以调幅现象居多。掌握调制原理，能帮助我们更好的理解轴承的故障特征。调幅是指高频载波信号的振幅随低频调制信号振幅的瞬时变化而变化。被调制的信号的频谱显示以载波信号频率作为中心频率，携带调制信号频率的边带特征。

1.轴承内圈故障特征

当轴承内圈存在损伤时，在轴承运转过程中，内圈的损伤部位与滚动体会产生接触，由于载荷的作用，内圈损伤部位与滚动体之间会产生冲击。在轴承旋转一周的时间内，内圈损伤部位会与BPI个滚动体接触，即产生BPI次冲击，且每次冲击之间的时间间隔相等（图1）。

图1 轴承内圈损伤的振动波形

提取振动信号的包络，如图2所示。

图2 轴承内圈损伤的振动波形（带包络）

可以发现，内圈损伤对应的振动信号就是一种调幅信号，其中载波信号的频率为BPFI，调制信号的频率为n。从轴承的物理模型上解释此调制现象：当轴承内圈损伤部位逐渐进入负载区时，轴承所承受的载荷增大，内圈与滚动体之间的作用力也增大，产生的冲击也相对增大，当内圈的损伤部位逐渐远离负载区时，随着负载的减小，冲击也随之减小。对应的频谱结构：以轴承内圈特征频率为中心频率，转轴的旋转频率为边带（图3）。

在实际内圈损伤的频谱中，随着内圈损伤严重程度的增加，会出现轴承内圈特征频率的谐波成分，且各内圈谐波成分所携带的转轴转频边带数量也会增多。

图3 轴承内圈损伤的频谱结构

2.轴承外圈故障特征

在轴承运转过程中，当轴承外圈存在损伤时，同样地，外圈的损伤部位与滚动体会产生冲击，在轴承旋转一周的过程中，会有BPO个滚动体经过外圈损伤位置，将产生BPO次冲击，且每次冲击之间的时间间隔相等（图4）。

图4 轴承外圈损伤的振动波形

外圈损伤的冲击信号无调制现象，原因是轴承外圈一般处于固定状态，即外圈的损伤点位置是固定的，因此每次损伤点与滚动体接触时产生的冲击，并没有进入负载区与远离负载区的区别。其对应的频谱成分为轴承外圈特征频率及谐波。

3.轴承滚动体故障特征

在轴承运转过程中，当轴承滚动体存在损伤时，滚动体的损伤部位会与轴承内圈以及外圈产生冲击。轴承每旋转一周，滚动体的损伤点将与轴承内圈、外圈产生BS1或者BS2次冲击，且每次冲击之间的时间间隔相等。滚动体安装在保持架上，因此滚动体将随着保持架进行公转，滚动体公转一周的时间就是保持架旋转一周的时间（图5）。

图5 轴承滚动体损伤的振动波形（球轴承）

提取滚动体损伤产生的振动信号的包络（图6）。

由于滚动体存在公转，因此有进入、远离负载区的状况，与轴承内圈损伤情况一样，其中载波信号的频率为BSF1，调制信号的频率为FT F。

球轴承滚动体损伤对应的频谱结构为：以轴承单倍滚动体特征频率为中心频率，保持架特征频率为边带。

图6 轴承滚动体损伤的振动波形包络（球轴承）

4.轴承保持架故障特征

当轴承保持架存在损伤时，在轴承运转过程中，每当保持架的损伤部位运行到负载区时，滚动体会对保持架的损伤部位产生作用力，在振动信号中会表现成等时间间隔的冲击，时间间隔为1/FT F。相应的频谱成分为保持架特征频率及谐波。

二、案例分析

以一次风机发电机轴承内圈剥落案例进行信号特征的分析。故障机组为1.5MW的双馈机组，其发电机轴承信息如表1所示。

表1

对设备报警数据进行了分析。报警时刻对应的发电机转速为1800r/min，即发电机转频为30Hz，根据轴承信息表，我们可以计算出发电机轴承在报警时刻的各个特征频率，具体如表2。

表2

波形呈现显著的冲击特征，且冲击存在周期性，两次大冲击之间还存在许多幅值稍小的等时间间隔冲击，为典型的调幅特征（图7）。相邻两次大幅值冲击之间的频率间隔，大约为30Hz，即发电机转频。相邻两个密集冲击之间的频率间隔，为145.5Hz，经查表发现，与发电机轴承的内圈特征频率吻合。根据振动波形的特征分析，初步推断发电机轴承内圈存在损伤。报警数据的频谱中存在发电机转频（30Hz）的高能量成分，内圈特征频率145Hz及丰富的谐波。此特征与轴承内圈损伤特征吻合（图8）。且频谱中，以内圈特征频率的3倍频，携带了丰富的发电机转频边带，此特征说明轴承内圈当前损伤的严重程度偏重（图9）。