風機軸承的故障特征分析

2.3  風機軸承的故障機理及發展歷程
由于風機工作在變負載、變風速的工況下，加之可能的極端惡劣天氣如雷雨、臺風、冰雹等，軸承作為風機重要的傳動部件承受著交變沖擊載荷，可能會出現多種損壞形式，如疲勞點蝕、磨損、膠合失效和斷裂等。軸承起初的故障是從局部點蝕開始的，滾動軸承與它所接觸的部件的周期性沖擊力就會造成點蝕，這種周期性沖擊而產生的頻率叫做通過頻率，由設備旋轉軸轉速、軸承尺寸參數等因素決定。通常軸承的通過頻率比較低，在幾十赫茲到幾百赫茲之間，而軸承正常工作時也會因為復雜的振動和噪聲產生高頻固有振動，這樣軸承元件的固有振動頻率和幅值受到沖擊振動的調制，得到了多分量的調幅調頻信號，調制信號的頻率與軸承損傷位置有關。
一般軸承故障的發展是從輕微的麻點損傷到最后發生嚴重破壞直至設備嚴重損壞，在此過程中，軸承的運行狀態可以從振動、包絡譜、加速度譜等得到反映，
具體過程如表 2-1 所示。
2.4  風機軸承的故障特征分析
如前文所述，軸承在風電機組中分布廣泛，且不同位置、不同類型軸承發生故障的機理也各不相同。本文主要以發電機軸承和齒輪箱軸承為研究對象，其軸承類型主要為滾動軸承。以下重點闡述滾動軸承的故障特征及故障形式特點。
2.4.1  滾動軸承的基本參數及故障特征頻率
本文以電機軸承和齒輪箱軸承為主要研究對象，其軸承類型主要為滾動軸承。
滾動軸承包括外圈、內圈、滾動體、保持架，滾動軸承結構參數如圖 2-3 所示，假設軸承外圈靜止，內環滾動，滾道面與滾動體之間無相對滑動，軸承各零件均為剛體，承受徑向載荷和軸向載荷各部分均無變形。根據軸承的幾何尺寸與轉速可以計算得到軸承對應位置的故障特征頻率.
 2.4.2  滾動軸承的失效形式
引起滾動軸承失效的原因多種多樣，如安裝不當、軸承選用不正確、不對中、潤滑不足、密封失效以及制造缺陷或者使用過長造成疲勞等，致使設備不能正常工作。因此，了解軸承的主要失效形式及其造成軸承失效的原因，對于滾動軸承的狀態監測具有指導意義。
     1.  疲勞剝落   滾動軸承在運轉過程中，滾道接觸表面承載交變載荷過大，會產生疲勞點蝕，隨著滾動體的不斷滾動、擠壓，點蝕不斷擴展使軸承金屬表層成片狀剝落，這種現象就是疲勞剝落，它是滾動軸承失效的主要原因，當滾動軸承出現疲勞剝落時，會使振動加劇，噪聲增大。
2.  膠合   當軸承潤滑不良，軸向載荷過大時會造成軸承局部溫度過高導致金屬表面燒傷，使一個表面上的金屬黏貼到另一個表面上，可能會使滾道面和滾動體表面出現膠合，致使零件表面出現撕裂，使滾動軸承失效。
     3.  磨損   密封不良導致的異物(風沙、小石子等)落入軸承內部空間再加上潤滑不良，是導致磨損的直接原因，此外，對中不良、裝配不當也會產生磨損，配合面上出現磨損粉末小顆粒的局部磨損以及滾動體面、滾道面、保持架等磨損。隨著滾動軸承磨損程度的逐漸加深，其運轉精度也慢慢降低。
     4.  壓痕   當滾動軸承靜載荷過大或沖擊載荷過大時，會在軸承內部接觸表面產生塑性變形，這時滾道面上會有按滾動體間距分布的壓痕，滾動體上也會有壓痕。另外當滾動軸承裝配方式不正確、滾道承載不均勻也會造成壓痕現象。出現壓痕后，軸承運轉會出現強烈振動和大量噪聲，使軸承使用壽命快速下降。
     5.  腐蝕   由于大氣中凝結的水分、具有腐蝕性的介質侵入軸承內部，會在軸承表面產生腐蝕現象。另外，當電流通過軸承時會產生電火花熔融，軸承金屬表面在電流、化學和機械作用下而產生損傷，使軸承喪失精度導致設備出現問題。
     6.  斷裂   當軸承沖擊載荷太大、轉速太快、膠合現象繼續發展時就有可能造成軸承外圈、內圈、滾動體表面出現裂紋或斷裂，使軸承直接失效。另外，裝配不當、熱處理不當、異常載荷也會導致裂紋或斷裂。
2.5  本章小結
本章介紹了風力發電機的基本結構及主傳動系統構成，詳細介紹了風機傳動系統滾動軸承的運行特點，闡述了用于風機發電機和齒輪箱中的滾動軸承的故障機理、故障形式及故障特征，為后文對風機軸承進行有效的特征提取及狀態識別提供了理論基礎。

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