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安维士 | 滚动轴承的故障诊断

日期:2019-10-10    来源:南京安维士

国际新能源网

2019
10/10
09:14

关键词: 风电齿轮箱 滚动轴承故障 风电故障诊断

  齿轮箱的故障案例中,有很大一部分是来自于滚动轴承的故障。据统计,仅10%不到的轴承能运行到设计寿命年限,约40%的轴承失效是由于润滑引起的故障,30%失效是由于不对中或安装不当,还有20%的失效是由过载使用或制造上的缺陷等其他原因导致。

  一般风电齿轮箱中有十几个位置不同的滚动轴承,使用内窥镜检测有的轴承检查不到且只能发现轴承明显的损伤(一般来说比较晚期了),油液检测手段只能发现磨损而无法分辨故障位置,振动检测是最有效的方法,可以有效诊断故障位置以及轴承失效位置,甚至不可见的早期故障也能发现,从而提高运行维护的效率,减小故障发生概率。
  我们通过不同位置测点反馈的振动加速度随时间变化的波形,积分得到振动速度波形,二次积分得到振动位移波形,这些时域波形经过FFT(傅里叶变换)后得到频域波形,一般的轴承故障能在频谱中找到对应的故障频率。
  滚动轴承故障频率:
  轴承零部件故障频率与轴承转速-r、轴承的平均直径-D、滚动体直径-d、滚动体数目-n和接触角-α有关。
  外圈故障频率=r/60 * 1/2 * n(1-d/D *cosα)
  内圈故障频率=r/60 * 1/2 * n(1+d/D *cosα)
  滚动体单故障频率=r/60 * 1/2 * D/d *[1-(d/D)^2 * cos^2(α)]
  保持架外圈故障频率=r/60 * 1/2 * 1-d/D *cosα)
  一般来说,轴承故障频率都是转速频率的非整数倍。在轴承故障的前中期,振动加速度频谱或者包络解调谱中,可见相应的故障频率,并且中高频段有噪声干扰。随着故障程度加剧,尤其在轴承内圈或轴承外圈缺陷开始扩展时,频率会越来越明显,出现谐波及转频调制的边带,但由于磨损,幅值会降低,若轴承故障继续恶化,调制继续,影响愈来愈大,甚至在速度频谱和时域波形上可见,直至频谱变为1X转速频率的谐波频率,轴承跑圈甚至无法运行。
  正常情况下滚动轴承故障频率不应存在,当存在轴承故障频率时,可以说明轴承至少发出初始故障信号。然而,应该明确一点:单独的轴承故障频率的出现(没有谐波和边带)未必意味着轴承内一定是轴承已损坏,轴承润滑不佳,发生金属对金属的接触,轴承承受不适当的负载(过大的压配合-过盈配合偏大,对不承受轴向推力的轴承施加了轴向推力,推力轴承反向安装等等)等因素,均会导致出现轴承的故障频率。
  需要注意的是,同一型号的轴承不同厂家生产的会有一些差别,在较复杂的频谱中要注意分辨。
  案例分析:
  图为某齿轮箱高速级叶片侧水平方向的包络解调谱,通过计算, 125Hz为轴承外圈故障频率,可发现有明显的倍频,并两侧有转频边带,据此可断定轴承外圈出现故障,该频率在加速度频谱也叫明显,且总体振动较大,应为中期故障。更换轴承后,振动明显降低。
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