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如何计算风电主轴承故障特征频率

国际新能源网  来源:文德能源视点  作者:董礼  日期:2018-02-02
  大型风电机组中轴承是至关重要的部件,特别是风电机组的主轴承,低速重载,出了问题更换的成本比较大,大部分时候需要动用大吊车吊下叶轮。今天看看主轴承的故障特征频率怎么算,受哪些因素的影响。
 
 
  通常风电主轴承选用以滚动轴承为主,主要包括调心滚子轴承SRB、圆锥滚子轴承TRB、圆柱滚子轴承CRB。而滚动轴承的结构一般包括内环、外环、保持架、滚子及相关组件组成。
 
  一般是在轴承座或者支撑结构上加装振动传感器(一般为加速度传感器)来测试振动响应。风电主轴承旋转速度比较低,一般在6-20rpm之间,建议选用超低频率且抗干扰强的加速度传感器来进行测试。同时分析的时候可参考VDI3834标准或相应的要求进行滤波,规避直流分量与高频分量的影响,比如低通滤波截止频率取10Hz。通过时域和频域的方法对轴承进行诊断分析。时域主要考虑有效值、峰峰值等统计量的变化。而频域则主要通过FFT或者包络解调谱分析来进行,频域分析是最常用的振动分析方法。而频域中故障特征频率的识别至关重要。
 
  滚动轴承可能由于润滑不良、载荷过大、材质不当、轴承内落入异物、锈蚀等原因,引起轴承工作表面上的剥落、裂纹、压痕、腐蚀凹坑和胶合等缺陷或损伤。那什么是故障特征频率呢?简单说就是轴承旋转时缺陷点与相关轴承组件接触的频率。比如外环上有一个缺陷,轴承旋转时滚子通过这个缺陷就会产生冲击信号,连续的滚子通过这个缺陷就会产生连续的冲击信号,而冲击的间隔频率就是我们说的外环故障特征频率。内环道理相同。某个滚子表面存在缺陷,则滚子自转一圈故障点对内外圈两次冲击,其频率是滚子自转频率的2倍。
 
  风电机组主轴承有外环转内环静止,内环转外环静止两种情况。比如在本公众号《Enercon收购Lagerwey背后的技术逻辑》一文中Enercon和Lagerwey的转子结构就是外环转内环静止的情况,而大部分双馈机组均是内环转外环通过轴承座与支撑结构相连。假设滚子不打滑,不考虑游隙影响的情况下,利用滚子与轴承内外圈在接触点处线速度相等这一原则便可推导相应的故障特征频率,这里就不推导了,直接见如下公式。

 
  
  风电机组的另一个特点就是变转速、变工况,从而对振动测试及故障分析带来困难,测试时应尽量捕捉相近转速和工况的数据进行分析。尽量采集多个整周期的数据进行分析。同时实际运行时受游隙及轴承打滑的影响,故障特征频率也会有所漂移。
 
  大家也可以在SKF官网上查询到相应型号的轴承参数,做相关计算,或直接在网站上用轴承计算工具直接计算出故障特征频率。以下是笔者随机选了一款轴承进行的计算。
 
 
  下面是一个外环故障的典型分析的例子,整场轴承的时域信号幅值小,振动均衡,而存在外环缺陷的轴承时域信号则存在明显的周期冲击信号。从频域上看,存在外环故障的轴承包络谱分析结果显示,在外环故障特征频率及其倍频会有比较明显的较高幅值能量,而正常轴承则只有较小幅值的旋转频率下的能量。请参考下图:
 
  
  外环故障信号包络解调谱(虚线处为特征故障频率及其倍频,无量纲)
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