風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)故障診斷分析

姬相磊，高旭東，杜振東

(中船重工電機(jī)科技股份有限公司，太原 030000)

0 引 言

近些年，隨著振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、處理技術(shù)的不斷提升，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也隨之發(fā)展，根據(jù)設(shè)備應(yīng)用環(huán)境和使用條件對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以提供必要的監(jiān)測(cè)、識(shí)別和故障判定手段。目前，針對(duì)風(fēng)電行業(yè)中廣泛采用的振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)手段，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的故障監(jiān)控，以保障機(jī)組的可靠運(yùn)行[1]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)信號(hào)的采集是通過(guò)振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)的，對(duì)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集、處理并分析，依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的故障頻率及幅值響應(yīng)判定軸承的運(yùn)行狀況；通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域分析，解析異常頻率特征在軸承運(yùn)行狀態(tài)下的響應(yīng)，并結(jié)合其振動(dòng)響應(yīng)分析它的頻率特征，以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)的判定，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)的目的，并及時(shí)制定排查方案及處理措施，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

1 發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

1.1 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展，單機(jī)功率正在逐步向大功率海上風(fēng)電機(jī)組過(guò)渡，但目前陸上主流機(jī)型仍以雙饋型機(jī)組為主，其占有絕大部分的市場(chǎng)份額。雙饋型機(jī)組的典型故障主要發(fā)生在主控系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、電氣及偏航變槳等關(guān)鍵設(shè)備，其中發(fā)電機(jī)作為機(jī)組的核心設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行軸承故障預(yù)判和診斷對(duì)保障機(jī)組可靠運(yùn)行尤為重要[3]。

通過(guò)在發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承座位置處安裝振動(dòng)傳感器，可監(jiān)測(cè)軸承徑向和軸向振動(dòng)信號(hào)。利用振動(dòng)傳感器采集軸承運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得軸承運(yùn)行的特征頻率參數(shù)，對(duì)比軸承運(yùn)行轉(zhuǎn)速條件下的各組成結(jié)構(gòu)的異常特征頻率，判定軸承的運(yùn)行狀況。發(fā)電機(jī)零部件結(jié)構(gòu)和配合的復(fù)雜性，機(jī)組對(duì)中情況對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)的影響，以及振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)出現(xiàn)的偶然因素影響，使得在線監(jiān)測(cè)故障判定存在一定的難度。故此，現(xiàn)階段采用的振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在一定程度上僅能從監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解和提取，以進(jìn)一步抽取表征故障特征的信息量，從而對(duì)發(fā)電機(jī)軸承的運(yùn)行狀態(tài)、故障潛在點(diǎn)及發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和診斷。

1.2 軸承狀態(tài)異常判別

發(fā)電機(jī)軸承在全生命周期運(yùn)行過(guò)程中，其故障特性是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，即從初級(jí)故障狀態(tài)隨著缺陷損傷的加劇而逐漸加重，直至軸承使用壽命的終止。在此故障漸變過(guò)程中，存在一定的振動(dòng)漸變趨勢(shì)，通過(guò)該種趨勢(shì)特征值的變化，來(lái)評(píng)估軸承的運(yùn)行狀態(tài)，以期達(dá)到提前維護(hù)更換的目的[1]。

通常在監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)過(guò)程中，依據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)定的特征量和特征值，將軸承的運(yùn)行故障劃分為正常、注意、警告、報(bào)警和危險(xiǎn)5個(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)軸承故障等級(jí)

1.3 軸承振動(dòng)信號(hào)特征頻率

滾動(dòng)軸承是由滾動(dòng)體、保持架和內(nèi)外圈結(jié)構(gòu)件組成。在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，會(huì)觸發(fā)各組成結(jié)構(gòu)件的頻率響應(yīng)，當(dāng)某部分發(fā)生局部缺陷時(shí)，在其一次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的沖擊信號(hào)。不同結(jié)構(gòu)件的頻率特征因其結(jié)構(gòu)及材質(zhì)特性而不同，即為軸承各部分的特征頻率。滾動(dòng)軸承的頻率特征依據(jù)其結(jié)構(gòu)特性通常在較低頻率1 000 Hz以內(nèi)。通常，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)軸承振動(dòng)信號(hào)，將信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾分析，識(shí)別故障特征頻率，對(duì)應(yīng)軸承運(yùn)行的頻譜特征，以評(píng)判軸承運(yùn)行狀態(tài)。

針對(duì)目前主流的2 MW機(jī)組，采用較多的是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它存在兩種軸承結(jié)構(gòu)形式，即三軸承結(jié)構(gòu)和兩軸承結(jié)構(gòu)。三軸承結(jié)構(gòu)是在驅(qū)動(dòng)端配置圓柱滾子軸承和深溝球軸承各一個(gè)，非驅(qū)動(dòng)端配置一個(gè)圓柱滾子軸承；兩軸承結(jié)構(gòu)是指發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端均采用深溝球軸承。通常驅(qū)動(dòng)端為定位端，非驅(qū)動(dòng)端為浮動(dòng)端。這兩種軸承結(jié)構(gòu)形式在2 MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)上均有應(yīng)用，其中以三軸承結(jié)構(gòu)形式相對(duì)較多。依據(jù)軸承特征頻率計(jì)算并結(jié)合德國(guó)FAG公司軸承樣本對(duì)應(yīng)型號(hào)的特征頻率，表2列舉了一種2 MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)三軸承結(jié)構(gòu)的FAG軸承的故障特征頻率數(shù)據(jù)。

表2 與60 r/min相關(guān)的軸承基本特征頻率

2 基于頻譜分析的軸承故障診斷

風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)非受迫性局部損傷時(shí)，會(huì)隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)，在其損傷結(jié)構(gòu)件部位出現(xiàn)周期性沖擊，該周期性沖擊會(huì)產(chǎn)生周期性頻率特征，從而在監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)解析頻譜圖中有所體現(xiàn)。軸承振動(dòng)特征頻率依據(jù)其結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸、配合關(guān)系、運(yùn)行轉(zhuǎn)速及缺陷點(diǎn)位置等綜合因素確定，故可依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析出的故障頻率來(lái)間接判定軸承缺陷位置[4]。

通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，利用傳感器采集數(shù)據(jù)，并對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將某部分振動(dòng)數(shù)據(jù)解析獲得對(duì)應(yīng)的頻域響應(yīng)圖，并與正常狀態(tài)下的圖譜進(jìn)行對(duì)比分析，得出頻譜圖中與軸承各結(jié)構(gòu)件特征頻率相匹配的異常狀態(tài)頻率，并結(jié)合其幅值響應(yīng)和時(shí)域的振動(dòng)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，以判定故障發(fā)生的軸承缺陷位置和損傷程度。

2.1 軸承故障判定案例

案例通過(guò)對(duì)新疆哈密三塘湖某風(fēng)場(chǎng)機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，選取某臺(tái)2 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)為測(cè)試對(duì)象，該發(fā)電機(jī)軸承為德國(guó)FAG廠家生產(chǎn)制造，驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)為NU1030MC3和6030C3，非驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)為NU1030MC3。對(duì)監(jiān)測(cè)到的驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判定軸承的運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)軸承故障判定提供依據(jù)。

2.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)該機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承實(shí)時(shí)振動(dòng)情況，其連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)狀態(tài)存在異常，其振動(dòng)趨勢(shì)變化表明該發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承處于報(bào)警狀態(tài)。

在發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速1 762 r/min條件下，提取發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承某時(shí)刻的振動(dòng)頻譜圖進(jìn)行故障分析，以評(píng)定軸承的運(yùn)行狀態(tài)。

依據(jù)監(jiān)測(cè)到的非驅(qū)動(dòng)端軸承特征圖譜，如圖1和圖2所示，對(duì)發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承故障特征頻率及其倍頻特征進(jìn)行提取，數(shù)據(jù)如表3所示。軸承特征頻譜分析表明，發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承滾動(dòng)體和內(nèi)圈存在較嚴(yán)重?fù)p傷。

圖1 非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)頻譜圖(0～200 Hz)

圖2 非驅(qū)動(dòng)端軸承振動(dòng)頻譜圖(0～2 000 Hz)

參數(shù)序號(hào)1序號(hào)2故障信號(hào)頻率f/Hz151.75435.5計(jì)算特征頻率f1/Hz151.53434.33振動(dòng)加速度幅值A(chǔ)/(m·s-2)0.4482g2.1755g絕對(duì)誤差fa/Hz0.221.17相對(duì)誤差fr/%0.140.27可信度η/%100100轉(zhuǎn)頻特征5.2×轉(zhuǎn)頻14.7×轉(zhuǎn)頻故障部位及性質(zhì)分析1×軸承滾動(dòng)體1×軸承內(nèi)圈

2.3 發(fā)電機(jī)軸承拆檢實(shí)況

發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，軸承已損傷，需進(jìn)行更換。將更換下的軸承進(jìn)行拆檢，以進(jìn)一步驗(yàn)證軸承頻譜分析的準(zhǔn)確性。軸承拆檢如圖3和圖4所示。

圖3 軸承滾動(dòng)體損傷

圖4 軸承內(nèi)圈損傷

軸承拆檢分析表明，非驅(qū)動(dòng)端圓柱滾子軸承的滾動(dòng)體和內(nèi)圈有損傷，存在圓周方向上的壓痕和軸線方向上的損傷缺陷。滾動(dòng)體在軸線方向上損傷較均勻，相鄰滾動(dòng)體上存在等間距同種情況的損傷，軸承內(nèi)圈滾道面上有明顯的等間距假性布氏壓痕，且壓痕上分布著由磨損而引起的材料剝落。分析該種情況，原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)在運(yùn)輸過(guò)程中或長(zhǎng)時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)后起動(dòng)運(yùn)行，造成滾動(dòng)體和內(nèi)圈接觸區(qū)的微小損傷，在其后較長(zhǎng)一段運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，損傷缺陷逐漸加劇且振動(dòng)趨勢(shì)逐步惡化，并最終影響軸承的使用壽命。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)風(fēng)場(chǎng)發(fā)電機(jī)軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠在一定程度上及時(shí)準(zhǔn)確地評(píng)定軸承的運(yùn)行狀態(tài)，為軸承故障預(yù)判提供了依據(jù)。同時(shí)，該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，能夠較大程度上提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承狀態(tài)異常判別和故障診斷能力，解決發(fā)電機(jī)軸承早期故障問(wèn)題，避免出現(xiàn)重大損失，降低機(jī)組維護(hù)成本，保證機(jī)組可靠穩(wěn)定運(yùn)行。