濟南市鴻慷機電設備有限公司位于交通便利的泉城濟南，是全球生產(chǎn)滾動(dòng)軸承和直線(xiàn)運動(dòng)產(chǎn)品的領(lǐng)導企業(yè)---德國舍弗勒集團在山東的授權代理商。公司專(zhuān)營(yíng)舍弗勒集團旗下兩大品牌德國INA軸承和德國FAG軸承，是一家順應經(jīng)濟發(fā)展需要而誕生的專(zhuān)業(yè)化新型高端軸承公司。多年來(lái)一直從事軸承的銷(xiāo)售和售后技術(shù)支持，在機械行業(yè)技術(shù)方面有著(zhù)非常豐富的經(jīng)驗，今天濟南鴻慷機電進(jìn)口軸承專(zhuān)家為大家介紹一下風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱軸承故障診斷研究。

  【摘要】本文對風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱振動(dòng)劇烈、噪聲巨大的故障進(jìn)行測試分析，通過(guò)時(shí)域信號分析、頻域信號分析以及頻譜二次解調處理分析判斷齒輪箱失效部件位置為中間級軸承內環(huán)，經(jīng)過(guò)軸承拆解，證明了診斷準確性。

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

  1、引言

  齒輪箱是旋轉機械中的重要部件，它具有傳遞運動(dòng)、扭矩和變速的作用。據統計，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、混沌診斷識別法等。而齒輪箱振動(dòng)提取分析是目前公認的最佳征兆提取量。

  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)信號的能量分布就會(huì )發(fā)生變化，振動(dòng)信號是齒輪箱故障特征的載體，通過(guò)理論研究和實(shí)驗分析，對具有故障的齒輪箱振動(dòng)信號進(jìn)行時(shí)域、頻域及頻域二次分析[3]。在分析中除了傳統的頻譜分析外，還采用細化譜及解調譜分析方法，并與正常狀態(tài)下的振動(dòng)信號進(jìn)行比較，從而提取故障信號特征。根據其故障信號特征，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、旋轉部件松動(dòng)、轉軸彎曲、轉軸不平衡、轉軸不對中等。

  為了綜合利用典型的故障特征， 必須采用對加速度或速度進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析及其解調分析。由于振動(dòng)信號的時(shí)域反映了平均振動(dòng)能量， 時(shí)域信號的峰峰值和峭度在一定程度上反映振動(dòng)信號是否含有沖擊成分， 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)加速度信號中齒輪嚙合頻率和軸承內、外環(huán)固有頻率等中高頻成分； 細化譜主要用于分析振動(dòng)速度信號中各軸轉頻和軸承各組件通過(guò)頻率等低頻成分； 解調譜主要用于分析振動(dòng)加速度信號中各軸轉頻和軸承各組件通過(guò)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、混沌診斷識別法等。由于工業(yè)現場(chǎng)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， 有些征兆反映的故障狀態(tài)不敏感， 相對來(lái)講， 齒輪的振動(dòng)是目前公認的最佳征兆提取量，它對運行狀態(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。齒輪箱因結構的復雜性，其振動(dòng)的頻率成分很多，故一定要在建立檔案的基礎上來(lái)判斷是否存在故障， 并在此基礎上進(jìn)行故障診斷。

  3、滾動(dòng)軸承故障診斷

  滾動(dòng)軸承是旋轉機械中的重要零件， 在各個(gè)機械部門(mén)有著(zhù)廣泛的應用。典型的滾動(dòng)軸承由內環(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)軸承的失效必然導致機械裝置運行的不正常，甚至引發(fā)災難性的后果，因此，對滾動(dòng)軸承常見(jiàn)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，內環(huán)旋轉的滾動(dòng)軸承故障特征頻率分析：

  （1）內環(huán)發(fā)生剝落或者點(diǎn)蝕，頻譜中內環(huán)特征頻率及其諧波凸顯，其附近將出現調制峰群，產(chǎn)生以?xún)拳h(huán)特征頻率為載波頻率，以轉軸轉頻為調制頻率的幅值調制現象；

  （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(wú)邊頻，無(wú)調幅現象；

  （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，其附近將出現調制峰群，并產(chǎn)生以滾動(dòng)體特征頻率為載波頻率，以保持架轉頻為調制頻率的幅值調制現象；

  （4）保持架變形或脫落，頻域分析將出現保持架特征頻率及其諧波。

  4、故障現象及測點(diǎn)布置

  某風(fēng)力發(fā)電機組傳動(dòng)鏈整體振動(dòng)大，并伴隨巨大轟鳴聲，在幾百米外能聽(tīng)到該機艙發(fā)出連續、巨大聲響。發(fā)電機振動(dòng)遠小于齒輪箱，且將齒輪箱與發(fā)電機之間聯(lián)軸器拆掉，發(fā)電機不運轉，發(fā)現高頻大幅振動(dòng)依然存在，判定振動(dòng)為齒輪箱引起；依據當前風(fēng)力發(fā)電設備的故障現象和現場(chǎng)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，考慮到現場(chǎng)情況及測試的方便性， 我們在測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 規定風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱振動(dòng)有效值第一階段限值（良好有效運行）7.5m/s2，第二階段限值（故障顯現，但仍能運行）12m/s2，本次測試各點(diǎn)振動(dòng)有效均遠大于第二階段限值，表明存在惡劣故障，對整機安全造成重大隱患。

        6、故障診斷分析

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

   （2）信號分析及故障診斷

    時(shí)域波形是原始信號，包含較多的信息量。一般對于有明顯特征波形的故障，例如沖擊、調幅等，可以做出初步判斷。頻域分析是現代信號處理技術(shù)的最常用的方法之一，對于分析齒輪箱故障產(chǎn)生的部位、故障類(lèi)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分析方法之一。當齒輪出現點(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(zhù)轉軸轉動(dòng)， 其能量值在傳感器測點(diǎn)方向周期變化，產(chǎn)生振動(dòng)信號的調制現象，在頻譜上表現為在特征頻率或固有頻率兩側出現均勻的調制邊頻帶， 通過(guò)解調包絡(luò )分析能準確分析出邊帶成分，并與旋轉頻率比對，能判斷故障部件所關(guān)聯(lián)的轉軸。

測試發(fā)電機轉速1800rpm 發(fā)電時(shí)各測點(diǎn)振動(dòng)參數， 分析結果如下：

從圖1 可以看出， 風(fēng)力發(fā)電機組具有明顯沖擊信號和調頻調幅特征，它的振動(dòng)幅值均值達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，它與葉片側中間級軸承內環(huán)故障頻率相對應。特征頻率周?chē)殡S8.13Hz 邊頻成分，與中間級軸承轉頻相對應。由此，判斷齒輪箱葉片側中間級軸承內環(huán)損傷。

從圖3 可以看出，頻譜包絡(luò )信號調幅信號為8.13Hz 及其諧波信號，對應中間級軸承轉頻，表明齒輪箱故障件振動(dòng)受中間級轉軸調制；

綜上所述判斷齒輪箱葉片側中間級軸承內環(huán)故障。

（3）檢查驗證

齒輪檢查，齒輪齒面有輕微壓痕，但總體狀況良好，無(wú)點(diǎn)蝕、齒根扯斷現象；拆卸葉片側中間級軸承后，發(fā)現其軸承內環(huán)嚴重剝落，與測試分析結果一致。更換該軸承后，齒輪箱振動(dòng)、噪聲正常，故障消除。

7、結論

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

參考文獻

[1]張安華.機電設備狀態(tài)監測與故障診斷技術(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)電機組的振動(dòng)測試與診斷[J].大電機技術(shù)，2010.

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