风机轴承的故障特征分析

2.3  风机轴承的故障机理及发展历程
由于风机工作在变负载、变风速的工况下，加之可能的极端恶劣天气如雷雨、台风、冰雹等，轴承作为风机重要的传动部件承受着交变冲击载荷，可能会出现多种损坏形式，如疲劳点蚀、磨损、胶合失效和断裂等。轴承起初的故障是从局部点蚀开始的，滚动轴承与它所接触的部件的周期性冲击力就会造成点蚀，这种周期性冲击而产生的频率叫做通过频率，由设备旋转轴转速、轴承尺寸参数等因素决定。通常轴承的通过频率比较低，在几十赫兹到几百赫兹之间，而轴承正常工作时也会因为复杂的振动和噪声产生高频固有振动，这样轴承元件的固有振动频率和幅值受到冲击振动的调制，得到了多分量的调幅调频信号，调制信号的频率与轴承损伤位置有关。
一般轴承故障的发展是从轻微的麻点损伤到最后发生严重破坏直至设备严重损坏，在此过程中，轴承的运行状态可以从振动、包络谱、加速度谱等得到反映，
具体过程如表 2-1 所示。
2.4  风机轴承的故障特征分析
如前文所述，轴承在风电机组中分布广泛，且不同位置、不同类型轴承发生故障的机理也各不相同。本文主要以发电机轴承和齿轮箱轴承为研究对象，其轴承类型主要为滚动轴承。以下重点阐述滚动轴承的故障特征及故障形式特点。
2.4.1  滚动轴承的基本参数及故障特征频率
本文以电机轴承和齿轮箱轴承为主要研究对象，其轴承类型主要为滚动轴承。
滚动轴承包括外圈、内圈、滚动体、保持架，滚动轴承结构参数如图 2-3 所示，假设轴承外圈静止，内环滚动，滚道面与滚动体之间无相对滑动，轴承各零件均为刚体，承受径向载荷和轴向载荷各部分均无变形。根据轴承的几何尺寸与转速可以计算得到轴承对应位置的故障特征频率.
 2.4.2  滚动轴承的失效形式
引起滚动轴承失效的原因多种多样，如安装不当、轴承选用不正确、不对中、润滑不足、密封失效以及制造缺陷或者使用过长造成疲劳等，致使设备不能正常工作。因此，了解轴承的主要失效形式及其造成轴承失效的原因，对于滚动轴承的状态监测具有指导意义。
     1.  疲劳剥落   滚动轴承在运转过程中，滚道接触表面承载交变载荷过大，会产生疲劳点蚀，随着滚动体的不断滚动、挤压，点蚀不断扩展使轴承金属表层成片状剥落，这种现象就是疲劳剥落，它是滚动轴承失效的主要原因，当滚动轴承出现疲劳剥落时，会使振动加剧，噪声增大。
2.  胶合   当轴承润滑不良，轴向载荷过大时会造成轴承局部温度过高导致金属表面烧伤，使一个表面上的金属黏贴到另一个表面上，可能会使滚道面和滚动体表面出现胶合，致使零件表面出现撕裂，使滚动轴承失效。
     3.  磨损   密封不良导致的异物(风沙、小石子等)落入轴承内部空间再加上润滑不良，是导致磨损的直接原因，此外，对中不良、装配不当也会产生磨损，配合面上出现磨损粉末小颗粒的局部磨损以及滚动体面、滚道面、保持架等磨损。随着滚动轴承磨损程度的逐渐加深，其运转精度也慢慢降低。
     4.  压痕   当滚动轴承静载荷过大或冲击载荷过大时，会在轴承内部接触表面产生塑性变形，这时滚道面上会有按滚动体间距分布的压痕，滚动体上也会有压痕。另外当滚动轴承装配方式不正确、滚道承载不均匀也会造成压痕现象。出现压痕后，轴承运转会出现强烈振动和大量噪声，使轴承使用寿命快速下降。
     5.  腐蚀   由于大气中凝结的水分、具有腐蚀性的介质侵入轴承内部，会在轴承表面产生腐蚀现象。另外，当电流通过轴承时会产生电火花熔融，轴承金属表面在电流、化学和机械作用下而产生损伤，使轴承丧失精度导致设备出现问题。
     6.  断裂   当轴承冲击载荷太大、转速太快、胶合现象继续发展时就有可能造成轴承外圈、内圈、滚动体表面出现裂纹或断裂，使轴承直接失效。另外，装配不当、热处理不当、异常载荷也会导致裂纹或断裂。
2.5  本章小结
本章介绍了风力发电机的基本结构及主传动系统构成，详细介绍了风机传动系统滚动轴承的运行特点，阐述了用于风机发电机和齿轮箱中的滚动轴承的故障机理、故障形式及故障特征，为后文对风机轴承进行有效的特征提取及状态识别提供了理论基础。

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