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)滾動軸承和直線運(yùn)動產(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，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】本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動劇烈、噪聲巨大的故障進(jìn)行測試分析，通過時域信號分析、頻域信號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；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、扭矩和變速的作用。據(jù)統(tǒng)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會產(chǎn)生振動，若發(fā)生故障，其振動信號的能量分布就會發(fā)生變化，振動信號是齒輪箱故障特征的載體，通過理論研究和實驗分析，對具有故障的齒輪箱振動信號進(jìn)行時域、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)下的振動信號進(jìn)行比較，從而提取故障信號特征。根據(jù)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(zhuǎn)部件松動、轉(zhuǎn)軸彎曲、轉(zhuǎn)軸不平衡、轉(zhuǎn)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)行時域分析、頻域分析及其解調(diào)分析。由于振動信號的時域反映了平均振動能量， 時域信號的峰峰值和峭度在一定程度上反映振動信號是否含有沖擊成分， 而時域有效值將直接反映齒輪箱整體振動綜合水平， 所以在一般時域診斷中以這幾個參數(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加速度信號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速度信號中各軸轉(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加速度信號中各軸轉(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現(xiàn)， 有些征兆反映的故障狀態(tài)不敏感， 相對來講， 齒輪的振動是目前公認(rèn)的最佳征兆提取量，它對運(yùn)行狀態(tài)的反映迅速、真實、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、滾動軸承故障診斷

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

  （1）內(nèi)環(huán)發(fā)生剝落或者點蝕，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）滾動體發(fā)生點蝕或剝落，頻譜中滾動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)象及測點布置

  某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈整體振動大，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)高頻大幅振動依然存在，判定振動為齒輪箱引起；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， 我們在測試中選擇齒輪箱前后軸承作為測量重點[5]。

  5、測試振動有效值評判

  從各測點中選取齒輪箱中間軸徑向、低速軸軸向、高速軸軸向振動進(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，本次測試各點振動有效均遠(yuǎn)大于第二階段限值，表明存在惡劣故障，對整機(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)組齒輪箱中間級軸承故障特征頻率

   （2）信號分析及故障診斷

    時域波形是原始信號，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(diào)幅等，可以做出初步判斷。頻域分析是現(xiàn)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(dāng)齒輪出現(xiàn)點蝕、斷齒以及滾動軸承發(fā)生疲勞剝落等，會產(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， 其能量值在傳感器測點方向周期變化，產(chǎn)生振動信號的調(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，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)電時各測點振動參數(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和調(diào)頻調(diào)幅特征，它的振動幅值均值達(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)中間級軸承內(nèi)環(huán)故障頻率相對應(yīng)。特征頻率周圍伴隨8.13Hz 邊頻成分，與中間級軸承轉(zhuǎn)頻相對應(yīng)。由此，判斷齒輪箱葉片側(cè)中間級軸承內(nèi)環(huán)損傷。

從圖3 可以看出，頻譜包絡(luò)信號調(diào)幅信號為8.13Hz 及其諧波信號，對應(yīng)中間級軸承轉(zhuǎn)頻，表明齒輪箱故障件振動受中間級轉(zhuǎn)軸調(diào)制；

綜上所述判斷齒輪箱葉片側(cè)中間級軸承內(nèi)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，無點蝕、齒根扯斷現(xiàn)象；拆卸葉片側(cè)中間級軸承后，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、噪聲正常，故障消除。

7、結(jié)論

本文介紹了對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷的振動分析法，并通過實例表明，利用振動參數(shù)對風(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零部件拆除檢查，節(jié)約了時間及維修成本。

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特征與診斷策略研究，2004. 

[4]艾尼瓦爾·阿皮孜.滾動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)組的振動測試與診斷[J].大電機(jī)技術(shù)，2010.

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