姬相磊，高旭東，杜振東

(中船重工電機科技股份有限公司，太原 030000)

0 引 言

近些年，隨著振動信號監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、處理技術的不斷提升，在線監(jiān)測技術也隨之發(fā)展，根據(jù)設備應用環(huán)境和使用條件對其運行情況進行實時監(jiān)測，以提供必要的監(jiān)測、識別和故障判定手段。目前，針對風電行業(yè)中廣泛采用的振動在線監(jiān)測手段，對機組運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)機組運行時的故障監(jiān)控，以保障機組的可靠運行[1]。

風力發(fā)電機軸承振動信號的采集是通過振動傳感器實現(xiàn)的，對軸承振動數(shù)據(jù)進行實時收集、處理并分析，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的故障頻率及幅值響應判定軸承的運行狀況；通過運行數(shù)據(jù)的時域和頻域分析，解析異常頻率特征在軸承運行狀態(tài)下的響應，并結合其振動響應分析它的頻率特征，以實現(xiàn)對軸承運行狀態(tài)的判定，從而實現(xiàn)監(jiān)測發(fā)電機軸承運行狀態(tài)的目的，并及時制定排查方案及處理措施，保證機組的穩(wěn)定運行[2]。

1 發(fā)電機軸承振動在線監(jiān)測技術應用

1.1 在線監(jiān)測技術

隨著風電行業(yè)的不斷發(fā)展，單機功率正在逐步向大功率海上風電機組過渡，但目前陸上主流機型仍以雙饋型機組為主，其占有絕大部分的市場份額。雙饋型機組的典型故障主要發(fā)生在主控系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、電氣及偏航變槳等關鍵設備，其中發(fā)電機作為機組的核心設備，對其進行軸承故障預判和診斷對保障機組可靠運行尤為重要[3]。

通過在發(fā)電機驅動端和非驅動端軸承座位置處安裝振動傳感器，可監(jiān)測軸承徑向和軸向振動信號。利用振動傳感器采集軸承運行時的振動信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得軸承運行的特征頻率參數(shù)，對比軸承運行轉速條件下的各組成結構的異常特征頻率，判定軸承的運行狀況。發(fā)電機零部件結構和配合的復雜性，機組對中情況對軸承運行狀態(tài)的影響，以及振動監(jiān)測時出現(xiàn)的偶然因素影響，使得在線監(jiān)測故障判定存在一定的難度。故此，現(xiàn)階段采用的振動在線監(jiān)測技術在一定程度上僅能從監(jiān)測到的振動信號進行分解和提取，以進一步抽取表征故障特征的信息量，從而對發(fā)電機軸承的運行狀態(tài)、故障潛在點及發(fā)生點進行識別和診斷。

1.2 軸承狀態(tài)異常判別

發(fā)電機軸承在全生命周期運行過程中，其故障特性是一個逐漸發(fā)展的過程，即從初級故障狀態(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。在此故障漸變過程中，存在一定的振動漸變趨勢，通過該種趨勢特征值的變化，來評估軸承的運行狀態(tài)，以期達到提前維護更換的目的[1]。

通常在監(jiān)測發(fā)電機軸承運行狀態(tài)過程中，依據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設定的特征量和特征值，將軸承的運行故障劃分為正常、注意、警告、報警和危險5個等級，如表1所示。

表1 發(fā)電機軸承故障等級

1.3 軸承振動信號特征頻率

滾動軸承是由滾動體、保持架和內外圈結構件組成。在軸承運轉過程中，會觸發(fā)各組成結構件的頻率響應，當某部分發(fā)生局部缺陷時，在其一次旋轉運動過程中就會發(fā)出相應的沖擊信號。不同結構件的頻率特征因其結構及材質特性而不同，即為軸承各部分的特征頻率。滾動軸承的頻率特征依據(jù)其結構特性通常在較低頻率1 000 Hz以內。通常，發(fā)電機在運行過程中通過監(jiān)測軸承振動信號，將信號數(shù)據(jù)進行過濾分析，識別故障特征頻率，對應軸承運行的頻譜特征，以評判軸承運行狀態(tài)。

針對目前主流的2 MW機組，采用較多的是雙饋異步風力發(fā)電機，它存在兩種軸承結構形式，即三軸承結構和兩軸承結構。三軸承結構是在驅動端配置圓柱滾子軸承和深溝球軸承各一個，非驅動端配置一個圓柱滾子軸承；兩軸承結構是指發(fā)電機驅動端和非驅動端均采用深溝球軸承。通常驅動端為定位端，非驅動端為浮動端。這兩種軸承結構形式在2 MW雙饋異步風力發(fā)電機上均有應用，其中以三軸承結構形式相對較多。依據(jù)軸承特征頻率計算并結合德國FAG公司軸承樣本對應型號的特征頻率，表2列舉了一種2 MW雙饋異步風力發(fā)電機三軸承結構的FAG軸承的故障特征頻率數(shù)據(jù)。

表2 與60 r/min相關的軸承基本特征頻率

2 基于頻譜分析的軸承故障診斷

風力發(fā)電機軸承在運行過程中出現(xiàn)非受迫性局部損傷時，會隨著軸承的運轉，在其損傷結構件部位出現(xiàn)周期性沖擊，該周期性沖擊會產(chǎn)生周期性頻率特征，從而在監(jiān)測到的振動信號解析頻譜圖中有所體現(xiàn)。軸承振動特征頻率依據(jù)其結構形式、幾何尺寸、配合關系、運行轉速及缺陷點位置等綜合因素確定，故可依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)解析出的故障頻率來間接判定軸承缺陷位置[4]。

通過監(jiān)測發(fā)電機軸承運行時的振動信號，利用傳感器采集數(shù)據(jù)，并對振動數(shù)據(jù)進行解析，將某部分振動數(shù)據(jù)解析獲得對應的頻域響應圖，并與正常狀態(tài)下的圖譜進行對比分析，得出頻譜圖中與軸承各結構件特征頻率相匹配的異常狀態(tài)頻率，并結合其幅值響應和時域的振動變化趨勢進行分析，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

案例通過對新疆哈密三塘湖某風場機組發(fā)電機軸承進行振動監(jiān)測，選取某臺2 MW機組發(fā)電機為測試對象，該發(fā)電機軸承為德國FAG廠家生產(chǎn)制造，驅動端軸承型號為NU1030MC3和6030C3，非驅動端軸承型號為NU1030MC3。對監(jiān)測到的驅動端和非驅動端軸承振動數(shù)據(jù)進行分析，以判定軸承的運行狀態(tài)，為后續(xù)軸承故障判定提供依據(jù)。

2.2 振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測該機組發(fā)電機軸承實時振動情況，其連續(xù)運行數(shù)據(jù)表明發(fā)電機非驅動端軸承振動狀態(tài)存在異常，其振動趨勢變化表明該發(fā)電機非驅動端軸承處于報警狀態(tài)。

在發(fā)電機運行轉速1 762 r/min條件下，提取發(fā)電機非驅動端軸承某時刻的振動頻譜圖進行故障分析，以評定軸承的運行狀態(tài)。

依據(jù)監(jiān)測到的非驅動端軸承特征圖譜，如圖1和圖2所示，對發(fā)電機非驅動端軸承故障特征頻率及其倍頻特征進行提取，數(shù)據(jù)如表3所示。軸承特征頻譜分析表明，發(fā)電機非驅動端軸承滾動體和內圈存在較嚴重損傷。

圖1 非驅動端軸承振動頻譜圖(0～200 Hz)

圖2 非驅動端軸承振動頻譜圖(0～2 000 Hz)

參數(shù)序號1序號2故障信號頻率f/Hz151.75435.5計算特征頻率f1/Hz151.53434.33振動加速度幅值A/(m·s-2)0.4482g2.1755g絕對誤差fa/Hz0.221.17相對誤差fr/%0.140.27可信度η/%100100轉頻特征5.2×轉頻14.7×轉頻故障部位及性質分析1×軸承滾動體1×軸承內圈

2.3 發(fā)電機軸承拆檢實況

發(fā)電機軸承振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，軸承已損傷，需進行更換。將更換下的軸承進行拆檢，以進一步驗證軸承頻譜分析的準確性。軸承拆檢如圖3和圖4所示。

圖3 軸承滾動體損傷

圖4 軸承內圈損傷

軸承拆檢分析表明，非驅動端圓柱滾子軸承的滾動體和內圈有損傷，存在圓周方向上的壓痕和軸線方向上的損傷缺陷。滾動體在軸線方向上損傷較均勻，相鄰滾動體上存在等間距同種情況的損傷，軸承內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，原因為發(fā)電機在運輸過程中或長時間靜止狀態(tài)后起動運行，造成滾動體和內圈接觸區(qū)的微小損傷，在其后較長一段運行時間內，損傷缺陷逐漸加劇且振動趨勢逐步惡化，并最終影響軸承的使用壽命。

3 結 語

利用振動監(jiān)測技術對風場發(fā)電機軸承進行實時監(jiān)測，能夠在一定程度上及時準確地評定軸承的運行狀態(tài)，為軸承故障預判提供了依據(jù)。同時，該技術的應用與發(fā)展，能夠較大程度上提高風力發(fā)電機軸承狀態(tài)異常判別和故障診斷能力，解決發(fā)電機軸承早期故障問題，避免出現(xiàn)重大損失，降低機組維護成本，保證機組可靠穩(wěn)定運行。