風力發電機軸承疲勞失效與電腐蝕故障的辨析

陳 星,許 峰

(國家電投集團 湖南婁底新能源有限公司，湖南 婁底 417000)

0 引言

某風場共有60臺風電機組,自風場投入運行兩年以來,已有9臺機組的發電機自由端軸承因故障進行了更換,即占風場總臺數15%的風機更換過發電機自由端軸承。為減少發電機軸承的更換頻率,降低軸承失效帶來的損失,需通過對振動監測系統的數據分析以及故障軸承拆解的情況,找出軸承批量發生疲勞失效和電腐蝕故障的原因。

1 風電機組在線振動監測與分析系統

風電機組在線振動監測與分析系統的基本監測對象是風電機組的傳動鏈，它通過安裝在機組傳動鏈特定位置的不同傳感器,獲得主軸、齒輪箱、發電機等關鍵設備的振動、轉速等信號,同時運用專用分析算法對各種信號進行處理,由此獲得故障特征量,從而對可能發生的故障隱患進行判斷和預估,為機組的維修提供指導和建議。

本風場60臺機組均為雙饋型風電機組,每臺機組均配置了振動監測與分析系統。風電機組振動測點的布置如圖1所示,在主軸承、齒輪箱、發電機等傳動鏈關鍵部件上安裝有振動加速度傳感器。其中，測點1、5位于軸承上，測點2、3、4位于齒輪箱上，測點6、7位于發電機上。

1～7-測點

振動監測與分析系統可實時監測各測點的振動有效值、峰值、峰峰值、包絡峰值等特征值,并具有振動值超限報警功能。同時,系統還提供波形、頻譜、包絡譜、歷史趨勢等分析手段。

2 滾動軸承故障機理及特征

滾動軸承按其幾何形狀和轉速產生獨特的頻率。有缺陷的軸承一般會產生4種基本的故障特征頻率,即外圈通過頻率(BPFO)、內圈通過頻率(BPFI)、滾動體旋轉頻率(BSF)和保持架頻率(FTF)，分別表示為：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：f為旋轉設備的轉動頻率;β為接觸角;N為滾動體數量;Pd為節圓直徑;Bd為滾珠或滾柱直徑。

以上的軸承機械參數確定后,就能算出軸承故障特征頻率。在線振動監測與分析系統一般都提供軸承數據庫,軸承數據庫會給出通用軸承的歸一化故障頻率。通過軸承型號和生產廠家即可查詢到軸承故障特征頻率。本次監測的風場發電機軸承有兩種型號,其中53臺機組的發電機驅動端和自由端軸承型號為SKF 6630M/C3,另外7臺機組的發電機驅動端和自由端軸承型號為FAG 6332/C3,其歸一化特征頻率(即頻率值除以轉速頻率，無單位)見表1。

表1 軸承型號及各故障特征頻率

3 風力發電機軸承振動狀態及分析

對本風電場60臺機組的振動數據進行比對分析,我們發現正常和異常機組的數據有所不同,異常機組之間的數據也有區別。經過對振動數據的分類統計,可將機組分成三種類型，即類型A——正常機組、類型B——異常機組和類型C——異常機組。機組類型統計如表2所示。

表2 風電機組分類

3.1 類型A:正常機組

正常機組的振動狀態以3#機組為例,在發電機轉速為1 750 r/min時,發電機自由端的振動包絡峰值為0.02g,時域波形峰值為0.826g,有效值為0.243g,峰值系數(峰值/有效值)為3.39，如表3所示。

表3 正常機組發電機自由端特征值

圖2為3#機組發電機自由端振動圖譜及包絡圖譜。其中時域波形中橫坐標為時間，縱坐標為加速度值。

圖2 3#機組發電機自由端振動圖譜和包絡圖譜

分析圖2可獲得如下結論：①包絡峰值趨勢平緩;②包絡譜頻率散亂無規律;③頻譜前端存在低幅值轉頻,沒有諧波和邊帶;④時域波形沒有明顯沖擊;⑤振動有效值趨勢平緩。

3.2 類型B:異常機組

異常機組的振動狀態以11#機組為例,2019年6月初包絡譜中發現軸承特征頻率,包絡解調值趨勢上升，跟蹤運行至2020年9月更換。

2019年3月初,在發電機轉速為1 750 r/min時,發電機自由端的振動包絡峰值為0.002g,時域波形峰值為0.278g,有效值為0.074g,峰值系數值為3.73。2020年9月,同樣在發電機轉速1 750 r/min時,其包絡峰值為101.55g,波形峰值為50.56g,有效值為6.281g,峰值系數值為8.05,其各主要特征值都出現大幅度的升高,具體數據如表4所示。

表4 類型B異常機組發電機自由端特征值

11#機組發電機自由端振動圖譜及包絡圖譜如圖3和圖4所示。

分析圖3和圖4可獲得如下結論：①包絡峰值趨勢大幅度升高,幅值較大;②包絡譜檢測到軸承故障頻率;③故障期頻譜有諧波和邊帶;④時域波形有高幅值沖擊;⑤振動有效值趨勢大幅度升高,幅值較大;⑥頻譜底噪抬升明顯。

圖3 11#機組發電機自由端振動圖譜和包絡圖譜(2019.3)

圖4 11#機組發電機自由端振動圖譜和包絡圖譜(2020.9)

根據上述振動數據和圖譜的分析,我們初步判定此類機組的發電機自由端的滾動軸承出現了疲勞失效故障。

3.3 類型C：異常機組

異常機組的振動狀態以22#機組為例,2020年8月初發現振動有效值趨勢有上升跡象,頻譜出現軸承特征頻率,跟蹤運行至2021年3月更換軸承。

2020年5月初，在發電機轉速為1 750 r/min時,發電機自由端的振動包絡峰值為0.190g,波形峰值為2.766g,有效值為0.642g,峰值系數值為4.30。2021年3月,同樣在發電機轉速1 750 r/min時,包絡峰值為0.462g,波形峰值為9.284g,有效值為1.983g,峰值系數值為4.68,其振動有效值和波形峰值出現了大幅度的升高，具有數據如表5所示。

表5 類型C異常機組發電機自由端特征值

22#機組發電機自由端振動圖譜及包絡圖譜因篇幅所限此處未給出。

分析圖譜和相關數據可獲得如下結論：①包絡峰值有明顯上升趨勢,但幅值不大;②包絡譜頻譜幾乎同時檢測到軸承特征頻率;③頻譜有明顯的工頻成分;④故障期頻譜有諧波、轉頻;⑤時域波形有低幅值沖擊;⑥振動有效值趨勢抬升明顯,但幅值不高;⑦頻譜底噪抬升不明顯。

根據上述振動數據和圖譜的分析,我們初步判定此類機組的發電機自由端的滾動軸承出現了電腐蝕失效故障。

3.4 故障驗證

對從9臺故障機組上更換下來的9套故障滾動軸承全部進行整體拆解,以觀察損傷的特征,并分析損傷的原因。

類型B機組的軸承拆解照片如圖5所示,可以發現軸承內圈滾道出現大面積剝落,為典型的疲勞失效特征。

圖5 類型B機組軸承拆解照片及放大圖

類型C機組的軸承拆解照片如圖6所示,軸承外圈滾道出現搓衣板狀的規則條紋,是電腐蝕給軸承帶來的損傷特征。

圖6 類型C機組軸承拆解照片及放大圖

結合振動數據分析,我們發現正常軸承與失效軸承的振動狀態完全不同,通過仔細查看振動數據的差異,可比較容易地分辨兩者的區別。但軸承疲勞失效與電腐蝕故障,在振動狀態上大體相同,只是在頻譜的底噪和振動的幅值上有一些細微的差異。

4 滾動軸承疲勞失效和電腐蝕機理闡述

4.1 滾動軸承疲勞失效

滾動軸承疲勞是指由滾動體和滾道接觸處產生的重復應力引起的組織變化。疲勞明顯的表現為顆粒從表面剝落。疲勞失效分為次表面起源型和表面起源型。次表面起源型疲勞是指在滾動接觸載荷作用下組織發生變化,并在表面下某一深度(即次表面)開始出現顯微裂紋,顯微裂紋的出現常常是由軸承鋼中的夾雜物引起的,見圖7;表面起源型疲勞是由表面損傷造成的一種失效模式,表面損傷是潤滑狀況劣化或軸承在滾動接觸部位未形成油膜的條件下運轉且出現一定程度滑動時,對金屬表面凸微體的損傷,它將引起凸微體的顯微裂紋和顯微剝落。由此可見，表面和次表面起源型疲勞失效都是從微觀裂紋發展至宏觀缺陷的，如圖8所示。

圖7 次表面顯微裂紋 圖8 次表面疲勞擴展

4.2 滾動軸承電蝕

電流引起的軸承問題由來已久,當電流通過滾動體和潤滑油膜從軸承的一個套圈傳遞至另一個套圈時,由于絕緣不良或電機軸上的感應電壓足以克服軸承潤滑劑的擊穿電壓時,在接觸區域內就會發生擊穿放電,對軸承造成損傷,從而影響軸承的使用壽命。

雙饋型風力發電機軸電壓是由發電機兩軸承端或電機轉軸與軸承間所產生的電壓,其產生原因一般有以下幾種：①機側變流器和網側變流器各自產生的共模電壓均會在軸上感應出軸電壓；②磁不對稱引起的軸電壓；③漏磁通引起的軸電壓。

軸電壓達到一定值時,通過軸承及其底座等形成閉合回路產生電流,這個電流稱為軸電流,電流穿過軸承流經電機并通過接地的基礎框架,隨著時間推移,軸承套圈和滾動體之間的接觸區域表面材料就會慢慢移失,呈現出電蝕特有的損傷特征，即波紋狀凹槽,見圖9,這些凹槽是等距的。

圖9 電流泄漏形成的波紋狀凹槽

4.3 兩類故障的辨析

比較兩種類型的故障總結如下：振動傳感器對次表面裂紋引發的沖擊有較明顯的頻響,所以在故障較早期就可以在包絡譜中發現軸承特征頻率,而軸承的電蝕是軸承套圈和滾動體之間接觸區域材料的緩慢移失,即疲勞失效是從次表面開始,電腐蝕是從材料表面開始。我們利用這一特性,并接合頻譜中是否存在工頻,可以區分軸承的疲勞失效和電腐蝕故障的頻譜特征。軸承電腐蝕在高頻段不會引發沖擊,所以包絡譜中比較難發現軸承缺陷頻率,當存在缺陷時,故障特征頻率已出現在中低頻段的頻譜中。

5 故障預防及維修

本風場53臺機組的發電機軸承型號為SKF 6630M/C3,該型號為絕緣軸承,能有效抑制軸電流。因此我們陸續將其他7臺機組使用的非絕緣軸承全部替換成了絕緣軸承。對于軸承出現疲勞磨損現象的機組,經檢查發現其自動潤滑裝置的給油量與其他正常機組相比偏低,我們對給油量進行了及時調整。經整改后,風場的60臺風電機組至今運轉正常,再未出現類似故障現象。