張 巍，秦玉志，崔 瑞

（1.華能鎮(zhèn)賚風(fēng)力發(fā)電有限公司，吉林 鎮(zhèn)賚 137300；2.長春畢博誠科技有限公司，長春 130015）

滾動(dòng)軸承在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用廣泛，但其極易受運(yùn)行工況影響而造成磨損，故發(fā)電機(jī)組的許多故障都與之有關(guān)。軸承的缺陷會(huì)導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生異常振動(dòng)及噪聲，往往造成突發(fā)的嚴(yán)重事故，如軸承保持架及軸承內(nèi)、外圈突然斷裂等，這些故障將造成轉(zhuǎn)子軸承抱死，重者導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電機(jī)報(bào)廢，因此對滾動(dòng)軸承進(jìn)行正確的狀態(tài)監(jiān)測及診斷，就成為現(xiàn)代設(shè)備優(yōu)化管理及預(yù)知維修的一項(xiàng)重要的日常任務(wù)［1］。在實(shí)際監(jiān)測與診斷中，振動(dòng)作為主要的監(jiān)測參數(shù)，通過時(shí)域和頻譜等振動(dòng)分析方法的應(yīng)用，能夠及早地預(yù)知滾動(dòng)軸承狀態(tài)好壞，及時(shí)更換帶有運(yùn)行缺陷的軸承，避免隱性故障擴(kuò)大，提升設(shè)備運(yùn)行可靠性，降低檢修維護(hù)成本，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益。

1 狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷模型

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由葉輪、齒輪箱和發(fā)電機(jī)三大部件組成。

在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)分析中，時(shí)域分析所能提供的信息量是非常有限的，往往只能粗略地判斷機(jī)械設(shè)備是否有故障，有時(shí)也能得到故障的嚴(yán)重程度信息，但不能判斷故障發(fā)生的部位信息，故一般用作設(shè)備的簡易診斷。當(dāng)分析故障類型、位置以及嚴(yán)重程度時(shí)，就需要對滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，即根據(jù)頻譜圖中的頻率成分以及各有關(guān)頻率成分的幅值大小，并配合時(shí)域分析方法，從故障的嚴(yán)重程度、故障位置、故障類型著手，綜合地對滾動(dòng)軸承的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和全方位的故障診斷，提出合理的維護(hù)檢修建議。

頻譜分析是把以時(shí)間為橫坐標(biāo)的時(shí)域信號(hào)通過傅立葉變換轉(zhuǎn)為以頻率為橫坐標(biāo)的頻域信號(hào)，從而求得關(guān)于原時(shí)域信號(hào)頻率成分的幅值和相位信息的一種分析方法。表達(dá)式為：

式中：x（t）為時(shí)域信號(hào)（振動(dòng)加速度、速度或位移等一切以時(shí)間t為自變量的函數(shù)）；X（f）為信號(hào)的頻域，是以頻率為自變量的函數(shù)［2］。

對滾動(dòng)軸承進(jìn)行振動(dòng)診斷，通過頻譜分析找出不同元件的故障特征頻率，以此判斷滾動(dòng)軸承的故障部位及其故障的嚴(yán)重程度。顯然，要實(shí)現(xiàn)對故障特征頻率的定位，就必須計(jì)算出各個(gè)元件的理論特征頻率。滾動(dòng)軸承就其結(jié)構(gòu)有4種故障頻率：保持架故障特征頻率fFTF、滾動(dòng)體故障特征頻率fBSF、外圈故障特征頻率fBPFO和內(nèi)圈故障特征頻率fBPFI，公式分別為：

式中：D為軸承節(jié)徑，即軸承滾動(dòng)體中心所在圓的直徑；d為滾動(dòng)體的平均直徑；α為公稱接觸角，即滾動(dòng)體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線的夾角；Z為滾動(dòng)體的個(gè)數(shù)；fr為軸回轉(zhuǎn)頻率（fr＝N／60，N為軸承所在軸的轉(zhuǎn)速）。

2 滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷實(shí)例

2.1 振動(dòng)監(jiān)測與分析診斷系統(tǒng)

基于上述狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷模型建立振動(dòng)監(jiān)測與分析診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)由速度傳感器、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡和微型計(jì)算機(jī)（包括監(jiān)測、通訊、分析和診斷軟件）所組成，也稱為T－C－PC 機(jī)械故障巡檢系統(tǒng)［3］，其中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡與微型計(jì)算機(jī)通過USB接口連接。

2.2 設(shè)備主要參數(shù)及故障頻率

某風(fēng)力發(fā)電企業(yè)安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組66臺(tái)，總裝機(jī)容量99 MW，其中安裝帶有齒輪箱的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組55臺(tái)，裝機(jī)容量82.5 MW，占總裝機(jī)容量83.3%，發(fā)電機(jī)主要有4種型號(hào)，其主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓690 V；額定功率1 500kW；額定轉(zhuǎn)速1 800r／min。發(fā)電機(jī)對應(yīng)的軸承型號(hào)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)對應(yīng)的軸承型號(hào)

發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端共使用三種型號(hào)的滾動(dòng)軸承，根據(jù)軸承的幾何尺寸、公稱接觸角和滾動(dòng)體個(gè)數(shù)能夠計(jì)算出其對應(yīng)軸回轉(zhuǎn)頻率的內(nèi)圈故障特征頻率、外圈故障特征頻率、滾動(dòng)體故障特征頻率和保持架故障特征頻率，不同軸承型號(hào)對應(yīng)的故障特征頻率見表2。

2.3 測試參數(shù)選擇及測點(diǎn)布置

利用離線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)于2015年3月13、16、17、18日分別對雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組F4－H44、F4－H36、F1－H09、F5－H52和F5－H54號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測。采用速度傳感器分別測量垂直和水平兩個(gè)方向的振動(dòng)值，測點(diǎn)布置見圖1，根據(jù)現(xiàn)場振動(dòng)情況，重點(diǎn)對發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端（圖1中測點(diǎn)4）和發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端（圖1中測點(diǎn)5）進(jìn)行振動(dòng)測試。

表2 軸承型號(hào)所對應(yīng)的故障特征頻率 Hz

圖1 風(fēng)機(jī)設(shè)備測點(diǎn)布置簡圖

2.4 測試分析及結(jié)果

發(fā)電機(jī)測試數(shù)據(jù)對比分析見表3，發(fā)現(xiàn)F4－H36號(hào)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)烈度非常大，驅(qū)動(dòng)端垂直方向振動(dòng)幅值為1.764 mm、驅(qū)動(dòng)端水平方向振動(dòng)幅值為0.591mm，同比超出另外4臺(tái)風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值5倍；F5－H54號(hào)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)幅值相對較小。

表3 發(fā)電機(jī)測試數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果

重點(diǎn)分析F4－H36 號(hào)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)數(shù)據(jù)，其主要運(yùn)行工況為：軸實(shí)際轉(zhuǎn)速為1 706r／min，即軸回轉(zhuǎn)頻率為28.44Hz，輸出電壓690V，輸出功率為1 450kW。對F4－H36號(hào)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直方向、水平方向監(jiān)測的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻譜分析，其垂直方向和水平方向時(shí)域圖見圖2a、2b，垂直方向和水平方向頻譜圖見圖3a、3b。圖3a和3b中有明顯的89.11Hz異常頻率及其諧波，分別為178.2 Hz、267.3Hz、356.4Hz、445.6Hz和534.7Hz，這與驅(qū)動(dòng)端使用6326 軸承的外圈故障頻率89.1Hz非常接近，6326軸承在軸回轉(zhuǎn)頻率為28.44 Hz時(shí)，內(nèi)圈故障特征頻率、外圈故障特征頻率、滾動(dòng)體故障特征頻率、保持架故障特征頻率分別為138.41 Hz、89.10Hz、62.48Hz、11.15Hz；圖2a和2b中也有89.1Hz的沖擊能量，該沖擊頻率也與89.1 Hz頻率相同。

圖2 F4－H36號(hào)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端時(shí)域圖

可見頻譜中有非常明顯的頻率值與6326軸承的外圈故障特征頻率及其倍頻相吻合的現(xiàn)象，診斷F4－H36號(hào)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承存在外圈的嚴(yán)重?fù)p傷。

2015年3月25日對F4－H36號(hào)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端更換6326軸承，軸承外圈有明顯滾子壓痕，軸承損傷嚴(yán)重，證明診斷結(jié)論與實(shí)際情況相符合。軸承一側(cè)壓痕明顯，另一側(cè)壓痕較輕，說明軸承在工作時(shí)處于嚴(yán)重的偏載狀態(tài)，檢修更換軸承時(shí)應(yīng)嚴(yán)格要求保證安裝精度，設(shè)備安裝精度的提高，能有效避免此類故障發(fā)生。

圖3 F4－H36號(hào)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)端幅值譜

3 結(jié)束語

通過上述分析，利用振動(dòng)監(jiān)測與分析診斷系統(tǒng)，提出了基于滾動(dòng)軸承故障特征頻率的頻譜分析方法。經(jīng)過實(shí)踐證明其效果顯著、易行，確保機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，避免重大事故發(fā)生，降低故障停機(jī)次數(shù)，縮短故障停機(jī)時(shí)間，節(jié)約檢修成本，從根本上增加了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］陳姍姍，李鋼燕，何立波.滾動(dòng)軸承現(xiàn)場故障診斷實(shí)用方法［J］.軸承，2008，（5）：39－42.

［2］楊國安.滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2012.

［3］李建華.在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備報(bào)，2010，39（3）：73－75.