面向风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障诊断

孙伟楠

摘 要：风力发电机组齿轮箱中滚动轴承运行过程中极易出现故障问题，一旦诊断不准确及故障处理不到位，会给风力发电机组的正常运行造成极为不利的影响，因此积极做好风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障诊断是非常必要的，以下开展具体分析，仅供相关人员参考。

关键词：风力发电机组；齿轮箱；滚动轴承；故障；诊断

齿轮箱是风力发电机组的重要组成部分，其良好的运行状态是保证传动设备安全稳定运行的重要条件，尤其是通过齿轮箱中滚动轴承、齿轮、轴等部件之间的协调配合，保证保证整个齿轮箱的正常运作。而滚动轴承在风力发电机组运行过程中极易出现故障问题，在实际故障诊断过程中应当掌握其诊断技巧，以提高齿轮箱滚动轴承故障诊断的科学性和合理性。以下开展具体论述。

1 振动检测技术在齿轮箱中的应用

相关实践表明，风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障诊断的过程中，大多以振动检测技术作为主要方式，通过对齿轮箱轴承座上火齿轮箱壳体中上部的振动信号进行准确提取，并加以妥善处理后，对潜在故障特征信息进行科学化分析，进而明确故障性质及其所在部位，从而促进故障问题得到科学的诊断和解决。振动检测技术大多通过频谱分析法、时域分析法以及包络分析法等作为常用的振動信号分析方法。

2 风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障特点分析

风力发电机组齿轮箱运行过程中，若齿轮箱存在故障，其特征频率发生明显变化，在出现谐波的同时，也会存在一定量的边频带，振动现象也存在一定差异性。若齿轮箱滚动轴承出现故障，会导致滚动体相对滚道旋转过程中产生较大能量的冲击，形成载波频率，以轴承外圈固有频率为主，并且形成固有频率调制振动状态。一旦风力发电机组齿轮箱滚动轴承出现严重的故障问题，并且存在比较鲜明的故障特征频率成分，尤其是和频与差频往往会随着基本成分的变化而变化，因此加强风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障诊断分析是非常必要的。

3 风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障诊断难点

3.1 确定齿轮箱中间传动轴的转速难

齿轮箱通常具有多级结构，每级传动产生不同的速比。一般情况下，齿轮箱厂家仅提供齿轮总速比，并不详细提供每级传动速比以及齿轮齿数，这为准确判断中间传动轴的轴承故障增加了难度。确定每根传动轴的转速，是正确分析判断轴承故障的关键，因为轴承故障特征频率是与轴承结构尺寸及轴的转速相关。轴承的结构尺寸（滚子直径、滚子分布圆直径、接触角）以及轴承滚子数量等是内在因素，是由轴承制造商决定的。而转速是属外在因素，同一轴承在不同的转速上，轴承的故障特征频率不同。

3.2 确定频谱中故障特征频率成分难

目前齿轮箱故障诊断方法是以箱体振动信号进行研究的，信号在传递过程中经过的环节很多，部分信号在传递过程中衰减或受调制。另外，由于齿轮箱结构复杂，工作条件多样，箱内多对齿轮和滚动轴承同时工作，频率成分多且复杂，各种干扰较大。所以传感器所提取的振动信号中，各信号频率杂、多且不易区分，确定其中某故障特征频率就存在一定难度。滚动轴承故障产生的振动信号能量要比齿轮或轴系故障产生的振动能量小，其故障信号很容易被淹没在其他振动信号中，故障特征更不明显，这为确定轴承故障特征频率增加了很大难度。

4 风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障诊断经验

本文在对风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障特点以及诊断难点开展分析的基础上，对齿轮箱滚动轴承故障诊断经验总结如下：

第一，明确风力发电机组齿轮箱内部结构及轴承故障特点。也就是说，为保证风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障诊断的科学性和准确性，应当准确把握齿轮箱内部结构，包括齿轮模式、传动轴数量、轴承型号等，从而为测点的布置提供可靠的数据支持。与此同时，应当明确电动机转速和传动齿轮齿数，便于进一步确定传动轴的转频和啮合数。除此之外，应当基于齿轮啮合频率以及轴承故障特征频率等要素来明确齿轮箱内部结构以及轴承故障特点，以保证风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障诊断的科学性。

第二，对传动轴所在轴承座上的振动进行准确测量。一般情况下，风力发电机组齿轮箱运作过程中，受到不同信号传递路径的影响，齿轮箱壳体上的不同测点对于激励所产生的响应也各不相同。研究可知，将监测点设置于齿轮箱传动轴所在轴承座部位，能够准确接收轴承振动信号；而将监测点设置于壳体中上部靠近齿轮的啮合点，能够对齿轮的其他故障进行准确监测。

第三，基于水平、垂直和轴向三个方向对振动进行测量。为促进风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障得到科学化诊断，在对振动进行测量时应当掌握好测量方向，并选择恰当的测点位置，以保证振动测量的准确度。一般情况下，在带散热片的齿轮箱以及轴承处于轴中间位置等情况下，测点方向应当有选择性的设置，基于水平、垂直和轴向三个方向进行振动测量，密切观察其轴向振动能量变化与频率变化，以保证测量的有效性。

第四，兼顾高低频段振动开展测量，合理选择传感器并控制好测量范围。具体来讲，在风力发电机组齿轮箱运作过程中，以固有频率、传动轴旋转频率以及轴承故障特征频率等作为基本振动信号，通过宽带频振动进行准确监测，基于不同频率范围选择适宜的传感器，并控制好测量范围，以促进风力发电机组齿轮箱故障的妥善处理。

第五，最好在齿轮满负荷状态下测量振动。满负荷下测量齿轮箱振动，能够较清晰地捕捉到故障信号。有时候，在低负荷时，部分轴承故障信号会被齿轮箱内其它信号所淹没，或者受其他信号调制而不容易发现。当然，在轴承故障比较严重时，在低负荷时，就是通过速度频谱也是能够清晰地捕捉到故障信号。

第六，分析数据时要兼顾频谱图与时域图。当齿轮箱发生故障时，有时在频谱图上各故障特征的振动幅值不会发生较大的变化，无法判断故障的严重程度或中间传动轴转速的准确值，但在时域图中可通过冲击频率来分析故障是否明显或所在传动轴转速是否正确。因此，要准确确定每一传动轴的转速或者某一故障的冲击频率，都需要将振动频谱图和时域图两者结合起来推断。特别对异常谐波的边频族的频率确定，更是离不开时域图的辅助分析。

5 结束语

总而言之，为促进风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障问题得到科学化诊断，应当明确齿轮箱滚动轴承的故障特点，准确把握故障后相关参数的变化情况，明确诊断过程中的重点与难点，基于以往齿轮箱滚动轴承故障诊断经验出发，就滚动轴承故障进行科学诊断和分析，便于采取可行的措施对风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障问题进行妥善处理，维护风力发电机组的正常运行。

参考文献

[1]常勇.面向风电机组的齿轮箱轴承故障诊断技术研究[D].兰州理工大学，2014

[2]郭艳平.面向风力发电机组齿轮箱滚动轴承故障诊断的理论与方法研究[D].浙江大学，2012.