加速度包絡(luò)解調(diào)方法在風(fēng)力發(fā)電機滾動軸承早期故障診斷應(yīng)用研究

黃宏臣，郭四洲，王子彥，方聰聰

（1.中車株洲電機有限公司，軸承應(yīng)用技術(shù)研究部，湖南 株洲 412000；2.中南大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

1 引言

最新統(tǒng)計，中國累計裝機容量近170GW，占世界總?cè)萘?∕3，根據(jù)國家能源局規(guī)劃，到2030年底，風(fēng)電能源占比將達到20%[1]。風(fēng)場惡劣環(huán)境及復(fù)雜風(fēng)況導(dǎo)致風(fēng)機軸承容易出現(xiàn)提前失效，風(fēng)電機組可靠性和服役狀態(tài)監(jiān)測已經(jīng)成為重點研究領(lǐng)域[2-3]。據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)電領(lǐng)域開展軸承、絕緣等關(guān)鍵部件可靠性維護和狀態(tài)檢測以來，在線故障發(fā)生率和停機維修時間大大降低，有效提高機組運行效率[4]。

2 風(fēng)力發(fā)電機滾動軸承故障診斷現(xiàn)狀

狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為成熟的系統(tǒng)性學(xué)科，振動檢測是目前研究最深、應(yīng)用最廣的一種監(jiān)測手段[5]。從FFT、功率譜、倒頻譜、沖擊脈沖等頻譜分析方法，再進一步的小波分析、EMD等時頻分析方法，以及目前熱門的模式識別方法和流形學(xué)習(xí)方法等[5]。

滾動軸承作為傳動系統(tǒng)中的核心部件，在很大程度上決定風(fēng)機組運行質(zhì)量，開展風(fēng)力發(fā)電機滾動軸承服役狀態(tài)檢測，準(zhǔn)確軸承狀態(tài)成為迫切的需求。目前，風(fēng)電系統(tǒng)中監(jiān)測軸承溫度已經(jīng)普及，但是，溫度反映軸承狀態(tài)滯后，而振動檢測是一種應(yīng)用廣泛且更早于溫度監(jiān)測的手段，因此，需要尋找一種適用于大型異步風(fēng)力發(fā)電機滾動軸承早期缺陷的方法和手段，及時發(fā)現(xiàn)軸承故障和異常，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的事故[2-3]。

3 分析方法

3.1 功率譜

功率譜是功率譜密度函數(shù)的簡稱，表示單位頻帶內(nèi)的信號功率，信號隨頻率的變化和分布狀況[6]。功率譜及其相關(guān)延展方法在科學(xué)研究和工程設(shè)備中廣泛應(yīng)用[7-8]。

假設(shè)數(shù)據(jù)長度為N，在-N∕2≤t≤N∕2點切斷，函數(shù)定義為：

能量EN可表示為：

因此平均功率為：

當(dāng)式中N增加時，x N(t)的能量增加也增加，當(dāng)N→∞時，x N(t)→x(t)，此時可能趨近于某一極限值，若此極限存在，則定義它為功率譜密度函數(shù)，即功率成分為ω～ω+dω范圍內(nèi)，對應(yīng)信號的總功率所作的貢獻，即反映信號功率在頻域的分布狀況[7]。

假設(shè)數(shù)據(jù)長度N→∞，功率集中在某一個窄帶寬范圍內(nèi)，且窗外數(shù)據(jù)均為零，但是，數(shù)據(jù)長度有限、窗外數(shù)據(jù)也存在能量，因此，在進行傅里葉卷積計算時，功率出現(xiàn)泄漏會擴散至相鄰頻域區(qū)間、減低分辨率，對于設(shè)備早期缺陷微弱振動信號容易被掩蓋掉[7]。

3.2 加速度包絡(luò)解調(diào)

滾動軸承早期微弱損傷信號常容易被相鄰的齒輪箱的沖擊、不平衡、不對中等噪聲信號所掩蓋，尤其對于運行環(huán)境復(fù)雜多變的風(fēng)電傳動系統(tǒng)中，更需要一種能夠有效提取出軸承早期缺陷引起的振動信號的方法和手段，而加速度包絡(luò)解調(diào)是一種能夠有效提取出早期缺陷故障所引起的微弱故障特征的方法，如圖1所示。

圖1 加速度包絡(luò)解調(diào)方法Fig.1 Method Acceleration Envelope

該方法可將微弱的低頻信號轉(zhuǎn)換至高頻共振波形后進行包絡(luò)、檢波、低通濾波，最后獲得一個與高頻信號相對應(yīng)的明顯低頻特征頻率及其諧波波形[9]。

包絡(luò)解調(diào)的實質(zhì)是對濾波后的高頻沖擊信號進行平方處理，根據(jù)積化和差sin(α)?sin(β)=1∕2?[ ]cos(α-β)-cos(α+β)公式，如果設(shè)置一個高通濾波器門檻值為高于某頻率的50倍才能通過，將系列倍頻函數(shù)平方之后，根據(jù)上述三角函數(shù)公式，得到相加、減兩部分的函數(shù)[9]。

對上式信號進行頻譜轉(zhuǎn)換時，可忽略α+β部分，只對α-β部分進行分析。將上述公式進一步計算，可得到以下兩組數(shù)據(jù)：

由上述可知，通過對振動信號進行平方后，成功的將高頻信號轉(zhuǎn)化至低頻區(qū)間分析，得到明顯的缺陷特征及其諧波，因此，這種技術(shù)能夠檢測到很微弱的沖擊信號[9～10]。

4 單軸承臺架試驗

某型號的圓柱滾子軸承，如圖2所示。內(nèi)圈滾道面因為運輸過程中防護不當(dāng)造成的輕微壓痕，屬于典型的早期軸承損傷。表面粗糙度，如圖3所示。

圖2 內(nèi)圈滾道面宏觀圖Fig.2 Raceway Surface of Bearing Inner Ring

圖3 表面粗糙度Fig.3 Surface Roughness Detection

將軸承滾道面使用Taylor粗糙度輪廓儀檢測粗糙度最大Pt值為1.2μm，屬于微弱的早期損失。根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗，此類軸承后期維護合理，仍可運行完整個服役周期。將軸承填充潤滑脂后，安裝在單軸承故障診斷試驗臺上進行不同速度等級下的試驗，將振動傳感器直接粘貼在軸承外圈，如圖4所示。

圖4 單軸承試驗臺試驗Fig.4 Single Bearing Test

表1 軸承故障頻率（Hz）Tab.1 Bearing Fault Frequency（Hz）

從上表2中可知：在單軸承故障診斷臺上，隨著轉(zhuǎn)速增加，功率譜和加速度包絡(luò)的特征頻率更明顯，幅值逐漸變大。功率譜中，在106RPM時，外圈14.5Hz明顯，但是未出現(xiàn)內(nèi)圈頻率19.2Hz，300RPM時，內(nèi)圈缺陷頻率已經(jīng)變得明顯，但是仍出現(xiàn)了外圈缺陷頻率；700RPM時，外圈、內(nèi)圈特征頻率均存在，且外圈比內(nèi)圈頻率更明顯。加速度包絡(luò)頻譜圖中，106RPM、300RPM、700RPM三個速度等級下，內(nèi)圈缺陷頻率及其倍頻諧波非常明顯，并且明顯邊頻帶，且未出現(xiàn)外圈頻率，特征頻譜質(zhì)量要明顯高于功率譜。

表2 對比分析Tab.2 Comparative Analysis

5 電機故障診斷

將上述軸承裝配在某型號兆瓦級大功率異步風(fēng)力發(fā)電機上，傳感器安裝在軸承端蓋合適的位置，如圖5所示。

300RPM時的功率譜和加速度包絡(luò)解調(diào)頻譜圖，如圖6、圖7所示。功率譜中雖然有內(nèi)圈缺陷頻率54.2Hz及倍頻108.5Hz、同時存在5Hz轉(zhuǎn)頻，但是外圈缺陷的40.5Hz峰值更明顯；加速度包絡(luò)頻譜中，內(nèi)圈缺陷頻率54.2Hz、2倍108.5Hz及其3倍162.7Hz及其5Hz的邊帶特征明顯。兩種方法均識別出了內(nèi)圈缺陷54.2Hz，并且有邊頻帶，但是加速度包絡(luò)解調(diào)頻譜內(nèi)圈缺陷特征要比功率譜更明顯。

圖6 功率譜Fig.6 Power Spectrum

圖7 加速度包絡(luò)解調(diào)譜Fig.7 Acceleration Envelope Demodulation Spectrum

6 結(jié)論

將內(nèi)圈滾道面存在微弱的早期損傷的某型號圓柱滾子軸承分別在單軸承故障診斷試驗臺以及安裝在兆瓦級大型異步風(fēng)力發(fā)電機上試驗，通過與功率譜進行對比，加速度包絡(luò)解調(diào)分析方法能更準(zhǔn)確識別出存在早期缺陷軸承的缺陷位置。