风电机组出厂试验中发电机轴承的振动和噪声问题

文 | 许国东，涂刚，周显勇，宋海良

风电机组出厂试验中发电机轴承的振动和噪声问题

文 | 许国东，涂刚，周显勇，宋海良

十余年来，双馈式风电机组在国内外风电市场均占据主流地位，表现出了良好的性价比，国内早期安装的机组由于一些非理性因素的影响，运行不尽人意，近年来各厂商都根据现场运行情况不断改进，目前已能达到和进口设备同等的性能和可靠性。早期部分散绕组结构的双馈异步发电机出现过大量绝缘问题，目前成型绕组结构的双馈异步发电机在运行稳定性方面已经得到了很大提高。

对电机轴承运行状况的主要判断手段为监测振动频谱与听觉检查，该方法在现场运行中得到广泛使用。目前部分运营商对整机出厂试验时发电机的噪声和振动提出要求，但由于表现的量值轻微并存在一定的偶然性，同时也缺乏有效的判据，有时很难达成共识，本文即根据轴承噪声和振动机理结合实际案例进行分析。

发电机轴承振动和噪声的成因与评价依据

一、发电机轴承振动和噪声的成因

振动即物体的往复运动，当振动频率在一定范围内通过介质被人的听觉器官感知则为声音，当声音的成分为令人不愉快的、不希望存在，则为噪声。噪声必然由振动导致，但振动不一定会导致噪声。虽然工业应用一直追求轴承运行的平稳和静音化，但振动和噪声的关联性理论一直被公认是不成熟的，仍存在很多问题需要探究。

无论轴承的制造技术和安装工艺如何先进，轴承在运转过程中总会出现振动和噪声，从成因考虑，可以做以下简要分类。

（一）结构性因素

结构性因素即为轴承虽满足制造和安装要求，由于结构因素仍不可避免会产生一定的振动和噪声，但并不影响其运行表现。

1．滚动噪声

滚动噪声即轴承运行时平滑连续的声响，其频率成分和转速没有对应关系，主要为轴承结构的固有频率，当转速越高、润滑脂粘度越低时，其发射的声功率越大。滚动噪声是不可避免的，就轴承本身而言，只能通过改善加工质量来获得优化。滚动噪声功率谱和转速的关系可见图1，该结论来自日本NSK技术中心以JIS B 1548标准对滚动轴承单体的噪声分析。

2．碰撞噪声

当滚动轴承的轴向负载不足，那么旋转轴系为水平方向的轴承在低转、低负载运行时就会因为位置靠上部的滚子的重力而下落，触碰到保持架或轴承内圈，因而产生碰撞噪声。在加大轴承预负荷、减小轴承游隙的情况下，该噪声会得到降低，但轴承温升可能增高。当转速提高或润滑脂粘度增大时，碰撞噪声将得以减弱。

3．尖啸

尖啸声主要发生在大尺寸的脂润滑圆柱滚动轴承和滚珠轴承的特定转速区域，从目前国际研究的结果看，主要成因在于局部润滑不充分，可能和润滑脂本身的性质有关，但也可能在特定转速范围内，由于轴承结构的特征振动引发了润滑不良。尖啸声通常不会导致轴承温升异常，也不会影响润滑脂和轴承寿命。

4．保持架噪声

滚动体和保持架、滚道之间存在间隙，在轴承运转时必然产生轻微碰撞，产生一定的噪声。此外，在保持架导引滚动体时，也有可能因润滑油膜形成不够良好，滚动体和保持架产生轻微滑动摩擦而促使保持架振动产生噪声，在低温或油脂变性时容易出现该问题。

5．滚动体通过噪声

该噪声产生的机理在于滚动体在圆周方向的不同位置时，旋转轴中心并不始终处于恒定的圆心上，而是有轻微的移动，在轴承承受径向载荷时即表现为载荷的周期性波动，从而引起特定频率的振动和噪声，该频率为滚动体回转频率fc和滚动体数量Z的乘积。任何滚动轴承都存在该现象，但通常都比较轻微。

（二）制造因素

虽然现有的双馈发电机轴承均由国际一线厂商提供，但不可避免地仍然会存在滚道圆度、波纹度、粗糙度、沟形偏差和球形偏差等精度问题。目前双馈发电机轴承均为进口产品，制造因素通常只在轴承运行时产生本底的白噪声，在转速升高时随之增大。

（三）安装因素

在轴承安装过程中，因不恰当的工艺工装，导致的推挤、敲击、碰撞都可能对轴承造成永久性伤害，而轴承的安装环境也应该保持洁净无尘。

1．表面瑕疵产生的噪声

表面瑕疵可能产生于滚道，也可能产生于滚动体。当瑕疵产生于滚道时，其噪声与振动特性在频域上和旋转速度总体相关，但在时域上未必能体现直观的周期性，更多地和瑕疵的位置有关。当瑕疵产生于滚动体，其周期性特征将更为明确。当润滑脂的粘度更高，表面瑕疵产生的振动和噪声将被弱化。

2．污染物

安装场地如有灰尘、铁屑等污染物，那么将不可避免地影响到轴承内部。滚动轴承的有效油膜厚度通常只有0.2µm左右，超过该尺寸的硬质颗粒物即可能对轴承滚动体和滚道造成刮擦痕迹或增大表面粗糙度，进而导致噪声和振动的产生，但该因素导致的振动和噪声往往没有清晰的频率特征。

（四）运输因素

由于风电机组安装地通常比较偏远，从发电机出厂到现场安装完成需要经过两次倒运，尤其整机出厂时运输条件较差。在包装固定条件差的情况下，容易出现因运输振动导致的轴承径向伪布式压痕，从而产生振动和噪声，该因素引起的振动和噪声表现近似于表面瑕疵。

（五）运行因素

双馈异步发电机轴承在运行时，有很多因素会影响轴承的失效，并导致不同形态的振动和噪声。在初装机组地面试验时，轴承本身未受到疲劳效应产生的损伤，但如供电品质不良，仍有可能因此激发振动和噪声。

二、发电机噪声与振动的评价依据

人耳的听觉对频率的感知能力为20 Hz－20000Hz，但人对于不同频率的声音其敏感度是不同的，根据等响曲线可知，人的听觉敏感频率范围为300 Hz－6000Hz，最为敏感的是3000 Hz－4000Hz。

日本于1960年制定了全球第一个有关轴承噪声的国家标准JIS B 1548《滚动轴承声压级测量方法》，目前最新的版本为1995年颁布，从标准文本看，只是描述了方法，测量固定转速下的声压值，但未有限定值要求，对噪声的频率成分也不进行测量。美国、德国也有提出关于滚动轴承噪声测量方法的国家标准，但各国迄今均未有提出对滚动轴承噪声的限定值要求，更不涉及噪声的频率分布。

对振动的测试可采用位移、速度、加速度测量的方法，但自2004年发布了ISO 15242《滚动轴承 振动测量方法》以及我国颁布对应标准GB/T24610－2009以后，确立了以速度测量值为轴承振动评价的优先选择。根据ISO15252，对滚动轴承的振动评价规定为三个频段：50 Hz－300Hz，300 Hz－1800Hz， 1800 Hz－10000Hz。

针对双馈异步发电机，则另有等同于IEC60034－14标准的国家标准GB/T10068-2008《轴中心高为56mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值》可作为参照，该标准引用的ISO2954规定的测量设备响应频率为10 Hz－1000Hz。

针对双馈风电机组主轴承、齿轮箱和发电机的现场运行振动评价，可参考的依据是VDI3834-2009《陆上带齿轮箱风力发电 机组及其组件机械振动测量与评估》，但该标准明确指出其内容不适用于在制造商的地面测试平台对齿轮箱、发电机等设备进行振动评价，而应采用针对齿轮箱和发电机的部件标准ISO 8579－2和IEC60034－14。

综上可见，噪声和振动虽然有关联性，但其频率范围还是存在有显著的差异，如日本即规定1000Hz以下属于振动问题，1000Hz以上属于噪声问题。各国对滚动轴承的噪声测试均要求在静音环境下，测试对象也只是滚动轴承单体。发电机或风电整机做试验时显然无法满足环境要求，滚动轴承在带负载运行时的噪声受到非常多因素的影响，难以进行有效的评价。

虽然说噪声是由振动引起的，但即便根据JIS B 1548对轴承单体进行运行实测，关联度也只在70%左右，也有实验研究认为噪声主要体现在与振动速度的关系，而不是体现在与振动加速度的关系。

由于测量噪声的环境和仪器条件比较苛刻，对轴承的评价也不如振动测量更为直观有效，ISO/TC4组织在2007年决定取消了对滚动轴承噪声测量方法的国际标准制订项目，因而滚动轴承应以振动作为主要的评价手段，以速度为主要的评价指标。

地面试验情况

某项目的1.5MW双馈风电机组在整机出厂试验时，发现发电机轴承在低转速范围内存在异响，为此进行了一系列的噪声和振动试验。轴承异响的具体表现为，整机空载试验，发电机作为电动机运转，在发电机转速在700rpm运行时，除正常的滚动噪声外，夹杂轻微低频碰撞噪声，当转速在1800rpm运行时，碰撞噪声不明显，但初始运行时偶有刺耳的尖啸，长时运行后尖啸消失，驱动端和非驱动端均有该现象。风电整机在各转速的空载情况下，对发电机轴承进行了振动和噪声测试，发电机为传动端上倾5度。该电机轴承型号为6332，典型本征频率见表1，噪声测量频率范围为0 Hz－20KHz，振动速度测量频率范围为0 Hz－1000Hz，振动加速度测量频率范围为0 Hz－5000Hz。

从图2－图4的测量发电机运行噪声频谱可见，正常运转的700rpm和1800rpm相比，转速较高时，低频段和高频段噪声尖峰的频率值也变高，但和转速的变化并不呈现比例关系。上述现象说明轴承被安装到发电机上后，结合图1可见，其运行的基本噪声频谱特征和典型的滚动轴承单体噪声频谱并不完全吻合。同为1800rpm运转，当尖啸产生时，高频段成分显著增大，有特征尖峰产生。

一、振动速度

从图5和图6的振动速度频谱可见，在1800rpm运行时，各方向振动均显著大于700rpm时，但也没有超过相关标准。在700rpm和1800rpm下，转频及其二倍频的成分显著，为高转速运行下，转子动平衡及其变频器三相供电对称性的反映，其余各频率峰值为轴承内、外圈频率及其倍频。

振动速度测量范围为0 Hz－1000Hz，但在此频段范围内，结合图2－图4，可见振动速度的特征频点和噪声声压的特征频点并无显著关联性。

二、振动加速度

从图7和图8的加速度测量频谱可见，虽然频率范围和速度频谱不同，但高频成分远大于低频成分。噪声频谱中，低频段也占有相当的成分，但振动加速度频谱中低频段成分则不显著。

表1 6332轴承在700rpm和1800rpm下的特征频率

结合图2－图4的噪声测量频谱可见，振动加速度特征频率在高频频段上的分布和噪声频谱的特征频率有高度的吻合性，低频频段则体现不出和噪声频谱的关联性，这说明轴承运转时作为基本面的滚动噪声并非来源于三维方向的振动，更多的应来源于圆周滚动方向，由于滚动体和滚动的表面粗糙度而产生。

从振动加速度频谱和噪声频谱对照可见，尖啸声对应的噪声特征频率在加速度频谱上体现为3000Hz－5000Hz范围内的陡峰，由于人耳对该频段特别敏感，并且在加速度频谱中上述陡峰没有边频带的掩护而产生了刺耳的尖啸。加速度频谱中，从尖啸噪声频率没有边频带掩护的特性可以推定，该特征频率振动的生成机理和其他频率的振动不同，并不来源于机械体碰撞，而应该是润滑油脂量不足，运转中气穴破裂而导致，可通过加注油脂进行消除。

同时，结合振动速度和加速度频谱可见，存在外圈频率及其倍频的特征值，低转速时相对更明显，结合低速运转下存在轻微的碰撞噪声，可推断该轴承预负荷存在不足或不均匀的现象，上述问题经相应的处理后得到有效的解决。

总结

轴承的振动和噪声具有复杂的关联性，当被安装到设备上以后影响因素就更为多样。在设备带负载运行时，振动特征将会比较显著，在不同寿命期就振动测试结果进行纵向比对也能有效地分析故障的发展原因与阶段。

对于初装机组地面空载或低负载运行工况，故障特征由于比较轻微而难以分辨，如以拖动设备带动被试设备运行试验，同样难以避免受到拖动设备的影响。同时，在进行高分辨力的频谱测试时，由于测试设备和传感器安装也可能对整机地面试验的结果产生影响。

风电整机出厂时进行振动和噪声测试有助于发现早期缺陷，但噪声由于听觉特性和难以准确测量的原因，分辨和判断也多出于主观，因而并不足以评价轴承运行状况，仍应以振动作为根本判据。

轴承安装到发电机上后，其噪声特征和轴承单体的噪声特征存在一定的差异。噪声在1kHz以上频段和振动加速度的特征频率有强关联性，但其频率形成的机理仍有待进一步研究。

（作者单位：浙江运达风电股份有限公司风力发电系统国家重点实验室）