巨野縣峻陽新能源發(fā)電有限公司 季樹海 王 波 孫本鶴 王廣玲 白林林

在機(jī)電設(shè)備檢測(cè)中廣泛應(yīng)用振動(dòng)分析法，可將檢測(cè)質(zhì)量提升并確保檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠，為設(shè)備維護(hù)提供關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。通過研究風(fēng)機(jī)特有運(yùn)行特征和結(jié)構(gòu)將部件故障概率計(jì)算出來，在此基礎(chǔ)上分析現(xiàn)場(chǎng)采集頻率信號(hào)，判斷出故障種類以及損害程度等，準(zhǔn)確定位故障，以此作為參照確定維護(hù)的時(shí)間和科學(xué)維護(hù)方式。隨著振動(dòng)分析的深入研究與應(yīng)用，監(jiān)控風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)已成為可能，可讓機(jī)組長期處于安全無故障狀態(tài)，提高機(jī)組安全系數(shù)，維護(hù)能源市場(chǎng)秩序。

1 風(fēng)電機(jī)械常見故障頻譜特征分析

1.1 安裝故障振動(dòng)分析

發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)階段振動(dòng)情況時(shí)有發(fā)生，常因各種原因造成，再加上長時(shí)間服役，就會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、不平衡等現(xiàn)象。

機(jī)械不平衡。在風(fēng)機(jī)部件中軸承屬于核心部件，軸的回轉(zhuǎn)中心非常關(guān)鍵，當(dāng)其與軸的質(zhì)心發(fā)生偏離不再重合時(shí)就會(huì)誘發(fā)不平衡問題，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)可知，不平衡現(xiàn)象的存在絕大多數(shù)取決于轉(zhuǎn)子部分結(jié)垢，此外還要考慮轉(zhuǎn)子部分變形或是發(fā)生彎曲等狀況。在實(shí)踐中，經(jīng)長期風(fēng)機(jī)檢測(cè)可知，機(jī)械不平衡故障發(fā)生概率較大，故障特征體現(xiàn)在時(shí)域波形中，特征非常鮮明。

機(jī)械松動(dòng)。除機(jī)械不平衡外松動(dòng)問題也時(shí)常發(fā)生，設(shè)備長時(shí)間服役會(huì)受嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致基座損傷，另外像腳螺栓等重要構(gòu)件也會(huì)松動(dòng)，在多種原因綜合作用下機(jī)械松動(dòng)故障由此形成。實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)子的支承系統(tǒng)扮演重要角色，當(dāng)過盈間隙太小時(shí)外圈和軸承座的空間將會(huì)出現(xiàn)周期變化，這樣中間的油膜便無法發(fā)揮作用、出現(xiàn)不穩(wěn)定性。此時(shí)一旦地腳螺栓緊力不足振動(dòng)產(chǎn)生移動(dòng)就會(huì)形成，影響設(shè)備同軸度。其故障頻譜特征：強(qiáng)徑向振動(dòng)明顯，特別是垂直振動(dòng)；存在常規(guī)的軸向振動(dòng)，通過觀察可知。振動(dòng)的方向性鮮明，并且伴隨垂直向振動(dòng)，這一故障頻譜特征可作為故障區(qū)分的依據(jù)；各次諧波強(qiáng)烈。

1.2 滾動(dòng)軸承故障分析

在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)階段滾動(dòng)軸承作用顯著，由于腐蝕、裝配等各方面的原因會(huì)讓滾動(dòng)軸承損壞程度加深，出現(xiàn)不同規(guī)格的磨損。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中滾動(dòng)軸承失效形式大致可分為以下幾種：

疲勞剝落。隨著時(shí)間推移會(huì)承載較長時(shí)間應(yīng)力，在其影響下滾動(dòng)軸承滾子變化明顯，會(huì)逐漸拉大與內(nèi)圈外圈的間隙，并在交變載荷作用下導(dǎo)致明顯裂縫形成。實(shí)踐證明，最明顯的地方往往是最大剪切應(yīng)力處，且裂縫會(huì)不斷擴(kuò)大直至表面出現(xiàn)剝落[1]。結(jié)合以往的軸承損傷案例可知，疲勞剝落概率最高，在滾動(dòng)軸承故障中占據(jù)比重較大。在國家現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，通常情況下軸承使用壽命計(jì)算需結(jié)合使用情況得出其疲勞壽命，即疲勞壽命=軸承使用壽命。

磨損?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用，磨損之所以會(huì)形成，主要是由摩擦過多導(dǎo)致的。究其根本，與滾子、內(nèi)外圈銜接程度有關(guān)，兩者間的摩擦?xí)屳S承出現(xiàn)損傷。通常雜質(zhì)的進(jìn)入會(huì)加劇摩擦，讓摩擦力度加大、導(dǎo)致表面磨損，另外在使用階段潤滑不到位也會(huì)誘發(fā)類似問題，變相加重磨損。磨損會(huì)嚴(yán)重降低各部件的性能，磨損時(shí)間增長也就意味著部件尺寸變小，這種關(guān)系始終存在，且軸承內(nèi)部的游隙會(huì)不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致軸承粗糙度變大，最終的不良后果就是軸承壽命縮減。此外設(shè)備運(yùn)行期間還會(huì)造成其他影響，在環(huán)境微振作用下能明顯發(fā)現(xiàn)接觸面變小，且滾子與滾道接觸面積變小后就會(huì)出現(xiàn)交替滑動(dòng)，這種滑動(dòng)將會(huì)留下振動(dòng)條紋，在振動(dòng)條紋影響下變相加劇損傷情況。

塑性變形。除上述情況外現(xiàn)實(shí)中塑性變形普遍存在，塑性變形原因較多：在軸承運(yùn)行階段大負(fù)荷沖擊強(qiáng)烈，再加上遭遇過熱變形導(dǎo)致額外負(fù)荷產(chǎn)生，這種情況極易誘發(fā)塑性變形；有異物進(jìn)入軸承增加了塑性變形概率，處于這樣的條件下，軸承長期運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)形成明顯的凹痕。通常這些不可恢復(fù)的凹痕會(huì)引起負(fù)荷集中，基于這樣的前提表面金屬剝落機(jī)會(huì)便會(huì)增加，最終導(dǎo)致塑性變形。

2 振動(dòng)分析的運(yùn)用

2.1 軸承振動(dòng)頻譜分析

在風(fēng)電設(shè)備使用中，為維持設(shè)備良好狀態(tài)，故障診斷技術(shù)必不可少，但由于風(fēng)電設(shè)備故障診斷復(fù)雜、故障種類較多，想要在較短時(shí)間將故障排除需運(yùn)用科學(xué)方法。隨著研究的深入一種全新故障診斷被提出，借助振動(dòng)分析可彌補(bǔ)傳統(tǒng)故障診斷方法的不足，提高診斷的效率，為找準(zhǔn)故障位置提供參考。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，想要發(fā)揮出振動(dòng)分析的優(yōu)勢(shì)，就要先對(duì)軸承振動(dòng)頻譜全面、細(xì)致分析，具體方法是在相應(yīng)位置安裝振動(dòng)傳感器，無論是驅(qū)動(dòng)端還是非驅(qū)動(dòng)端都要依靠傳感器發(fā)揮作用，分別采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集通常包括水平和垂直方向的詳細(xì)數(shù)據(jù)，都要全部采集到（圖1）。

圖1 發(fā)電機(jī)測(cè)點(diǎn)位置

2.2 發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端故障檢測(cè)

針對(duì)驅(qū)動(dòng)端的檢測(cè)需按照規(guī)范進(jìn)行，嚴(yán)格把握檢測(cè)流程啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，待風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)時(shí)可準(zhǔn)備采集核心數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)匯總、記錄。在此基礎(chǔ)上完成傳感器的安裝，傳感器安裝位置需特別注意，需安裝到垂直位置，只有這樣才能保證數(shù)據(jù)記錄的精準(zhǔn)。

2.2.1 水平振動(dòng)圖譜分析

水平振動(dòng)圖譜分析需依靠傳感器完成，通過采集振動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算得出軸承時(shí)域波形，從圖2可看出，所應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)端軸承此時(shí)正在受到強(qiáng)烈沖擊，最大的沖擊力度可達(dá)30.083m/s2，而標(biāo)準(zhǔn)只有10～16m/s2，明顯已經(jīng)超過報(bào)警值。由此可得出振動(dòng)沖擊振幅最高范圍已被超出，表明軸承存在故障?？蓪⒉杉瘮?shù)據(jù)上傳至ADS，選擇控件transient 同時(shí)設(shè)置好時(shí)間，在查看的地方添加節(jié)點(diǎn)，就能看到時(shí)域波形。

圖2 驅(qū)動(dòng)端時(shí)域波形

通過驅(qū)動(dòng)端時(shí)域波形，還不能對(duì)故障損傷程度和頻率有清晰的判斷，此時(shí)可借助傅里葉變換，將圖2的驅(qū)動(dòng)端時(shí)域波形轉(zhuǎn)換為較為清晰、直觀的頻域波形包絡(luò)圖，可通過ADS 的核心插件完成包絡(luò)圖的轉(zhuǎn)換，也可采用fs()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。從圖3可精準(zhǔn)找到振動(dòng)幅值，振動(dòng)幅值一般為158.64Hz、240.94Hz 不等，某種意義上這幾個(gè)頻率象征著軸承外圈的真實(shí)發(fā)生故障頻率及倍頻、意義重大，結(jié)合軸承故障分析特殊理論，外圈故障頻率一旦普遍存在于兩種譜線中，則可證明軸承外圈損傷情況真實(shí)存在且軸承故障頻率峰值長久不變、居高不下，完全符合軸承第三階段基本特征，最終可得出剩余壽命不足5%的結(jié)論。

圖3 驅(qū)動(dòng)端包絡(luò)譜（水平方向）

2.2.2 垂直方向振動(dòng)圖譜

從驅(qū)動(dòng)端時(shí)域波形（垂直方向加速度）可看出，其最大值臨近60m/s2這一標(biāo)準(zhǔn)線，結(jié)合VDI3834指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)為10～16m/s2，一般報(bào)警警戒線為20m/s2，意味著振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)[2]。存在這種情況時(shí)意味著軸承故障頻率峰值居高不下，變相證明軸承已損壞，最終的壽命不超過5%。通過水平和縱向的對(duì)比分析可得出結(jié)論，借助振動(dòng)圖譜可對(duì)構(gòu)件損害程度全方位掌控，了解故障形成機(jī)理及最終剩余壽命，可大幅縮短故障診斷時(shí)間，且診斷數(shù)據(jù)具有一定的可靠性，應(yīng)用價(jià)值較高。

3 預(yù)測(cè)性維修建議

3.1 結(jié)論分析

通過上文分析可知驅(qū)動(dòng)端軸承作用顯著，在實(shí)際使用中如維護(hù)不當(dāng)就會(huì)引發(fā)故障，無論是普通頻譜還是現(xiàn)實(shí)意義中的包絡(luò)譜中都可發(fā)現(xiàn)與軸承外圈一致的故障頻率，更為重要的是具有多倍諧頻情況，此時(shí)完全可以說明正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端存在軸承明顯損壞的情況，并已處于第三階段，另外還可由此判斷出軸承壽命不足90天。與此同時(shí)2倍線頻率及諧頻明顯，則意味著軸承存在松動(dòng)可能，也有可能是發(fā)電機(jī)底座有類似問題存在。如果非驅(qū)動(dòng)端軸承最終形成的包絡(luò)圖中軸承的缺陷頻率并不存在，將會(huì)讓域波形遭受沖擊，出現(xiàn)振值偏高情況，在此基礎(chǔ)上還可發(fā)現(xiàn)有工頻的諧頻存在。

3.2 預(yù)測(cè)性維修建議

參照上文結(jié)論分析結(jié)果可采取具體預(yù)測(cè)性維修措施：為保證風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，確保理想發(fā)電狀態(tài)，降低故障發(fā)生率，可針對(duì)現(xiàn)有的軸承受損情況采取維護(hù)措施，提高軸承運(yùn)轉(zhuǎn)性能。借助振動(dòng)分析法對(duì)破損程度進(jìn)行預(yù)判，必要時(shí)可選擇將電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承合理更換，以此來保證運(yùn)轉(zhuǎn)的效率。為不影響使用需按照標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)采購軸承備件，盡可能提升軸承性能，擇機(jī)進(jìn)行更換，目的是為了從源頭避免突然停機(jī)、從而加大二次損傷可能性。另外，更換完的軸承要采取保養(yǎng)措施，定性檢查設(shè)備性能，將設(shè)備性能始終維持在平穩(wěn)狀態(tài)。同時(shí)針對(duì)非驅(qū)動(dòng)端軸承合理清洗和保養(yǎng)，將損傷程度降低，防止維護(hù)不當(dāng)引發(fā)更大事故，造成不必要損失。

結(jié)合現(xiàn)有的故障類型，要對(duì)驅(qū)動(dòng)端軸承座開展全面、細(xì)致檢查，非驅(qū)動(dòng)軸承座同樣不容忽視，確認(rèn)軸承是否松動(dòng)是重要診斷內(nèi)容、不容忽視，一旦發(fā)現(xiàn)“跑外圈”故障問題要采取合理措施。首先檢查地腳螺栓，對(duì)其牢靠性進(jìn)行檢查，判斷是否存在軟腳現(xiàn)象或是力矩不夠?qū)е碌牡啬_螺栓發(fā)揮不了作用，只有保證檢查的全面性才能發(fā)揮故障診斷的價(jià)值，確保風(fēng)電機(jī)組安全、高質(zhì)量運(yùn)行，為風(fēng)力發(fā)電提供保障。一般振動(dòng)烈度需嚴(yán)格控制在1～10kHz 范圍內(nèi)，且振動(dòng)位移最理想的數(shù)值為70μm。