濟(jì)南市鴻慷機(jī)電設(shè)備有限公司位于交通便利的泉城濟(jì)南，是全球生產(chǎn)滾動(dòng)軸承和直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)---德國舍弗勒集團(tuán)在山東的授權(quán)代理商。公司專營舍弗勒集團(tuán)旗下兩大品牌德國INA軸承和德國FAG軸承，是一家順應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要而誕生的專業(yè)化新型高端軸承公司。多年來一直從事軸承的銷售和售后技術(shù)支持，在機(jī)械行業(yè)技術(shù)方面有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，今天濟(jì)南鴻慷機(jī)電進(jìn)口軸承專家為大家介紹一下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱軸承故障診斷研究。

  【摘要】本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)劇烈、噪聲巨大的故障進(jìn)行測試分析，通過時(shí)域信號(hào)分析、頻域信號(hào)分析以及頻譜二次解調(diào)處理分析判斷齒輪箱失效部件位置為中間級(jí)軸承內(nèi)環(huán)，經(jīng)過軸承拆解，證明了診斷準(zhǔn)確性。

  【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī)；齒輪箱；軸承；振動(dòng)；故障診斷

  1、引言

  齒輪箱是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的重要部件，它具有傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩和變速的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在齒輪箱失效中，齒輪的失效比約為60%，軸承的失效比約為19%，軸的失效比約為10%，箱體的失效比率約為7%，緊固件的失效比率約為3%，油封的失效比率約為1%[1——2]。齒輪箱故障診斷方法主要有振動(dòng)法、噪聲譜分析法、油液分析法、混沌診斷識(shí)別法等。而齒輪箱振動(dòng)提取分析是目前公認(rèn)的最佳征兆提取量。

  齒輪箱中的軸、齒輪和軸承在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，若發(fā)生故障，其振動(dòng)信號(hào)的能量分布就會(huì)發(fā)生變化，振動(dòng)信號(hào)是齒輪箱故障特征的載體，通過理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)具有故障的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域及頻域二次分析[3]。在分析中除了傳統(tǒng)的頻譜分析外，還采用細(xì)化譜及解調(diào)譜分析方法，并與正常狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行比較，從而提取故障信號(hào)特征。根據(jù)其故障信號(hào)特征，提出性質(zhì)有效的診斷方法。

  2、齒輪箱故障分析方法

  齒輪箱典型故障特征包括：齒輪齒形誤差、箱體共振、斷齒、齒面損傷、軸承疲勞剝落、軸承保持架變形、旋轉(zhuǎn)部件松動(dòng)、轉(zhuǎn)軸彎曲、轉(zhuǎn)軸不平衡、轉(zhuǎn)軸不對(duì)中等。

  為了綜合利用典型的故障特征， 必須采用對(duì)加速度或速度進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析及其解調(diào)分析。由于振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域反映了平均振動(dòng)能量， 時(shí)域信號(hào)的峰峰值和峭度在一定程度上反映振動(dòng)信號(hào)是否含有沖擊成分， 而時(shí)域有效值將直接反映齒輪箱整體振動(dòng)綜合水平， 所以在一般時(shí)域診斷中以這幾個(gè)參數(shù)為診斷參量。在齒輪箱故障診斷中，頻譜主要用于分析振動(dòng)加速度信號(hào)中齒輪嚙合頻率和軸承內(nèi)、外環(huán)固有頻率等中高頻成分； 細(xì)化譜主要用于分析振動(dòng)速度信號(hào)中各軸轉(zhuǎn)頻和軸承各組件通過頻率等低頻成分； 解調(diào)譜主要用于分析振動(dòng)加速度信號(hào)中各軸轉(zhuǎn)頻和軸承各組件通過頻率等低頻成分。齒輪箱的故障診斷方法還有噪聲譜分析法、油液分析法、混沌診斷識(shí)別法等。由于工業(yè)現(xiàn)場測試條件及分析技術(shù)所限，有些征兆的提取與分析不易實(shí)現(xiàn)， 有些征兆反映的故障狀態(tài)不敏感， 相對(duì)來講， 齒輪的振動(dòng)是目前公認(rèn)的最佳征兆提取量，它對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的反映迅速、真實(shí)、全面，能很好地反映出大部分齒輪故障的性質(zhì)與范圍， 并有許多先進(jìn)有效的方法可供選用。齒輪箱因結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其振動(dòng)的頻率成分很多，故一定要在建立檔案的基礎(chǔ)上來判斷是否存在故障， 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行故障診斷。

  3、滾動(dòng)軸承故障診斷

  滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的重要零件， 在各個(gè)機(jī)械部門有著廣泛的應(yīng)用。典型的滾動(dòng)軸承由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體和保持架組成的，它具有摩擦阻力小、效率高、易于起動(dòng)、潤滑方便、互換性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在抗沖擊能力差、高速時(shí)噪聲大等缺點(diǎn)。滾動(dòng)軸承的失效必然導(dǎo)致機(jī)械裝置運(yùn)行的不正常，甚至引發(fā)災(zāi)難性的后果，因此，對(duì)滾動(dòng)軸承常見故障的研究顯得十分重要[4]。滾動(dòng)軸承故障主要分為軸承內(nèi)環(huán)剝落或點(diǎn)蝕、軸承外環(huán)剝落或點(diǎn)蝕、軸承滾動(dòng)體點(diǎn)蝕或損傷、軸承保持架脫落或變形。外環(huán)固定，內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)的滾動(dòng)軸承故障特征頻率分析：

  （1）內(nèi)環(huán)發(fā)生剝落或者點(diǎn)蝕，頻譜中內(nèi)環(huán)特征頻率及其諧波凸顯，其附近將出現(xiàn)調(diào)制峰群，產(chǎn)生以內(nèi)環(huán)特征頻率為載波頻率，以轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的幅值調(diào)制現(xiàn)象；

  （2）外環(huán)發(fā)生剝落或者點(diǎn)蝕，頻譜中外環(huán)特征頻率及其諧波凸顯，特征頻率無邊頻，無調(diào)幅現(xiàn)象；

  （3）滾動(dòng)體發(fā)生點(diǎn)蝕或剝落，頻譜中滾動(dòng)體特征頻率及其諧波凸顯，其附近將出現(xiàn)調(diào)制峰群，并產(chǎn)生以滾動(dòng)體特征頻率為載波頻率，以保持架轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的幅值調(diào)制現(xiàn)象；

  （4）保持架變形或脫落，頻域分析將出現(xiàn)保持架特征頻率及其諧波。

  4、故障現(xiàn)象及測點(diǎn)布置

  某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈整體振動(dòng)大，并伴隨巨大轟鳴聲，在幾百米外能聽到該機(jī)艙發(fā)出連續(xù)、巨大聲響。發(fā)電機(jī)振動(dòng)遠(yuǎn)小于齒輪箱，且將齒輪箱與發(fā)電機(jī)之間聯(lián)軸器拆掉，發(fā)電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)高頻大幅振動(dòng)依然存在，判定振動(dòng)為齒輪箱引起；依據(jù)當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的故障現(xiàn)象和現(xiàn)場工作狀況，齒輪箱較容易產(chǎn)生故障的部位為齒輪以及齒輪箱的前后軸承，考慮到現(xiàn)場情況及測試的方便性， 我們?cè)跍y試中選擇齒輪箱前后軸承作為測量重點(diǎn)[5]。

  5、測試振動(dòng)有效值評(píng)判

  從各測點(diǎn)中選取齒輪箱中間軸徑向、低速軸軸向、高速軸軸向振動(dòng)進(jìn)行有效值分析，其均方根值均在20m/s2 以上，VDI3834 規(guī)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)有效值第一階段限值（良好有效運(yùn)行）7.5m/s2，第二階段限值（故障顯現(xiàn)，但仍能運(yùn)行）12m/s2，本次測試各點(diǎn)振動(dòng)有效均遠(yuǎn)大于第二階段限值，表明存在惡劣故障，對(duì)整機(jī)安全造成重大隱患。

        6、故障診斷分析

       （1）該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱中間級(jí)軸承故障特征頻率

   （2）信號(hào)分析及故障診斷

    時(shí)域波形是原始信號(hào)，包含較多的信息量。一般對(duì)于有明顯特征波形的故障，例如沖擊、調(diào)幅等，可以做出初步判斷。頻域分析是現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的最常用的方法之一，對(duì)于分析齒輪箱故障產(chǎn)生的部位、故障類型和產(chǎn)生原因提供了非常有效的分析手段。因此，頻譜分析方法是齒輪箱故障診斷最重要的信號(hào)分析方法之一。當(dāng)齒輪出現(xiàn)點(diǎn)蝕、斷齒以及滾動(dòng)軸承發(fā)生疲勞剝落等，會(huì)產(chǎn)生周期性脈沖沖力，從而在頻譜中顯示出明顯的特征頻率及其諧波頻率。

    周期性脈沖力隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 其能量值在傳感器測點(diǎn)方向周期變化，產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象，在頻譜上表現(xiàn)為在特征頻率或固有頻率兩側(cè)出現(xiàn)均勻的調(diào)制邊頻帶， 通過解調(diào)包絡(luò)分析能準(zhǔn)確分析出邊帶成分，并與旋轉(zhuǎn)頻率比對(duì)，能判斷故障部件所關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)軸。

測試發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1800rpm 發(fā)電時(shí)各測點(diǎn)振動(dòng)參數(shù)， 分析結(jié)果如下：

從圖1 可以看出， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有明顯沖擊信號(hào)和調(diào)頻調(diào)幅特征，它的振動(dòng)幅值均值達(dá)5g 以上，初步判斷為軸承或齒輪故障；

從圖2 可以看出，頻率在84Hz 及其諧波附近存在較大的幅值，它與葉片側(cè)中間級(jí)軸承內(nèi)環(huán)故障頻率相對(duì)應(yīng)。特征頻率周圍伴隨8.13Hz 邊頻成分，與中間級(jí)軸承轉(zhuǎn)頻相對(duì)應(yīng)。由此，判斷齒輪箱葉片側(cè)中間級(jí)軸承內(nèi)環(huán)損傷。

從圖3 可以看出，頻譜包絡(luò)信號(hào)調(diào)幅信號(hào)為8.13Hz 及其諧波信號(hào)，對(duì)應(yīng)中間級(jí)軸承轉(zhuǎn)頻，表明齒輪箱故障件振動(dòng)受中間級(jí)轉(zhuǎn)軸調(diào)制；

綜上所述判斷齒輪箱葉片側(cè)中間級(jí)軸承內(nèi)環(huán)故障。

（3）檢查驗(yàn)證

齒輪檢查，齒輪齒面有輕微壓痕，但總體狀況良好，無點(diǎn)蝕、齒根扯斷現(xiàn)象；拆卸葉片側(cè)中間級(jí)軸承后，發(fā)現(xiàn)其軸承內(nèi)環(huán)嚴(yán)重剝落，與測試分析結(jié)果一致。更換該軸承后，齒輪箱振動(dòng)、噪聲正常，故障消除。

7、結(jié)論

本文介紹了對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷的振動(dòng)分析法，并通過實(shí)例表明，利用振動(dòng)參數(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障的診斷是有效的。它不但能監(jiān)測齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)，還可以準(zhǔn)確判斷故障原因， 減少不必要的齒輪箱拆箱及各個(gè)零部件拆除檢查，節(jié)約了時(shí)間及維修成本。

參考文獻(xiàn)

[1]張安華.機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995. 

[2]李國華，張永忠.機(jī)械故障診斷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

[3]崔玉杰.天津冶金[J].典型齒輪箱故障振動(dòng)特征與診斷策略研究，2004. 

[4]艾尼瓦爾·阿皮孜.滾動(dòng)軸承失效原因分析及使用維護(hù)研究[J].煤炭技術(shù)，2010,6. 

[5]張登峰，郝偉，郝旺身.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)測試與診斷[J].大電機(jī)技術(shù)，2010.

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