风机轴承故障监测和诊断

2013-12-04胡旭馗

设备管理与维修 2013年2期

叶盛李龙胡旭馗

南车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部湖南株洲市

一、概述

风力发电机主轴轴承，电机主轴轴承运行状态是否正常，往往直接影响到整台风力发电机的性能，如精度、可靠性、寿命等。统计表明，风力发电机大约有30%的机械故障都是滚动轴承引起的，采用故障监测与诊断技术后，风力发电机事故发生率可降低75%，维修费用可减少25%～50%；采用状态监测与故障诊断技术，可了解轴承的运行状态及早发现潜在故障。对可能出现的故障提出预测、估计、判断，可以有效提高风力发电机的运行管理水平及维修效能。

二、滚动轴承的失效形式

1.疲劳失效

滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域，这些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。疲劳剥落往往是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命。

2.磨损失效

由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物引起表面磨损，润滑不良会加剧磨损，结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，表现为振动水平及噪声的增大。

3.腐蚀失效

水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。当轴承内部有轴电流通过时，在滚道和滚动体的接触点处引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。

4.断裂失效

当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。

5.压痕失效

压痕失效主要是由于滚动轴承受负荷后，在滚动体和滚道接触处产生塑性变形。过量时在滚道表面形成塑性变形凹坑。装配不当，或装配敲击也会造成压痕失效。

6.胶合失效

对于滚动轴承，当滚动体在保持架内被卡住或者润滑不足、速度过高造成摩擦热过大，使保持架的材料粘附到滚子上而形成胶合。其胶合状为螺旋形污斑状。还有的是由于安装的初间隙过小，热膨胀引起滚动体与内外圈挤压，致使在轴承的滚道中产生胶合和剥落。

三、滚动轴承的振动诊断

1.滚动轴承

诊断的目的可以及时、正确、有效地对风力发电机各种异常状态和故障状态做出诊断、预防或消除故障，同时对设备的运行维护进行必要的指导。确保风力发电机在运行中的可靠性、安全性和有效性。制定合理的检（监）测维修制度，保证风力发电机工作时发挥最大的设计能力。在允许的条件下，充分挖掘设备潜力，延长风力发电机的服役期限和使用寿命，降低风力发电机全寿命周期费用。通过检测监视、故障分析、性能评估，为风力发电机修改结构、优化设计、合理制造及生产过程工艺参数的控制，提供必要的依据。

2.故障诊断的任务

风力发电机故障诊断的基本任务包括：判断设备的运行状况；分析设备的故障原因；提供科学检修的依据；降低设备维修和维护成本；提供决策信息，保证生产安全；工程竣工验收与质量检验。

3.故障诊断的主要步骤

（1）信号采集。风力发电机劣化或发生故障后，会伴随各种状态信号出现，它们是故障信息的载体。所以，采集包含异常或故障信息的状态信号是设备诊断技术的首要环节。采用合适的传感器和测量方法来采集信号十分重要。

（2）信息处理。在采集设备有用信息的时候，很多干扰信号也会被采集，会使那些有用信号变的不明显或杂乱无章。如何去除干扰，使有用信号突出表现出来，这就是信息处理的任务。

（3）故障识别。得到了有用的设备信息后，需要经过与标准或样板模式进行对比，才能确定或判断设备处于何种状态。这一过程需要以识别技术作为理论基础。在简易诊断中可以参照某些标准，如ISO 2373、VDI 3834，加上运用已有的知识和经验，即可做出判断。在精密诊断中，必须通过计算机技术和各种分析技术，提取故障特征信号来对设备状态做出判断。

（4）预报技术。主要是对风力发电机故障的发展趋势和剩余寿命进行预报。这对避免设备事故和减少损失是非常有意义的，目前可以使用的方法主要有线性回归、主观概率法等。

4.信号分析方法

（1）时域分析。指随时间变化的物理量。通过监测时域波形，可以发现波形是否畸变，同时可以分析信号的周期、幅值和平稳性等特征。峰值和有效值是时域分析的两个关键参数。

（2）包络分析。包络分析就是提取载附在高频信号上的低频信号，从时域上看，为取时域波形的包络轨迹。像具有齿轮、轴承等零部件的旋转机械故障诊断常常用到包络分析。当旋转机械的轴承零部件有点蚀、剥落等损伤类故障时，伴随设备运转这些故障会产生周期性脉冲冲击力，激起设备的各阶固有振动。选择冲击激起的高频固有振动为研究对象。