齒輪箱的故障案例中，有很大一部分是來自于滾動軸承的故障。據(jù)統(tǒng)計，僅10%不到的軸承能運行到設計壽命年限，約40%的軸承失效是由于潤滑引起的故障，30%失效是由于不對中或安裝不當，還有20%的失效是由過載使用或制造上的缺陷等其他原因導致。
一般風電齒輪箱中有十幾個位置不同的滾動軸承，使用內(nèi)窺鏡檢測有的軸承檢查不到且只能發(fā)現(xiàn)軸承明顯的損傷（一般來說比較晚期了），油液檢測手段只能發(fā)現(xiàn)磨損而無法分辨故障位置，振動檢測是最有效的方法，可以有效診斷故障位置以及軸承失效位置，甚至不可見的早期故障也能發(fā)現(xiàn)，從而提高運行維護的效率，減小故障發(fā)生概率。
我們通過不同位置測點反饋的振動加速度隨時間變化的波形，積分得到振動速度波形，二次積分得到振動位移波形，這些時域波形經(jīng)過FFT(傅里葉變換)后得到頻域波形，一般的軸承故障能在頻譜中找到對應的故障頻率。
滾動軸承故障頻率：
軸承零部件故障頻率與軸承轉速-r、軸承的平均直徑-D、滾動體直徑-d、滾動體數(shù)目-n和接觸角-α有關。
外圈故障頻率=r/60 * 1/2 * n(1-d/D *cosα)
內(nèi)圈故障頻率=r/60 * 1/2 * n(1+d/D *cosα)
滾動體單故障頻率=r/60 * 1/2 * D/d *[1-(d/D)^2 * cos^2(α)]
保持架外圈故障頻率=r/60 * 1/2 * (1-d/D *cosα)
一般來說，軸承故障頻率都是轉速頻率的非整數(shù)倍。在軸承故障的前中期，振動加速度頻譜或者包絡解調譜中，可見相應的故障頻率，并且中高頻段有噪聲干擾。隨著故障程度加劇，尤其在軸承內(nèi)圈或軸承外圈缺陷開始擴展時，頻率會越來越明顯，出現(xiàn)諧波及轉頻調制的邊帶，但由于磨損，幅值會降低，若軸承故障繼續(xù)惡化，調制繼續(xù)，影響愈來愈大，甚至在速度頻譜和時域波形上可見，直至頻譜變?yōu)?X轉速頻率的諧波頻率，軸承跑圈甚至無法運行。
正常情況下滾動軸承故障頻率不應存在，當存在軸承故障頻率時，可以說明軸承至少發(fā)出初始故障信號。然而，應該明確一點：單獨的軸承故障頻率的出現(xiàn)（沒有諧波和邊帶）未必意味著軸承內(nèi)一定是軸承已損壞，軸承潤滑不佳，發(fā)生金屬對金屬的接觸，軸承承受不適當?shù)呢撦d（過大的壓配合-過盈配合偏大，對不承受軸向推力的軸承施加了軸向推力，推力軸承反向安裝等等）等因素，均會導致出現(xiàn)軸承的故障頻率。
需要注意的是，同一型號的軸承不同廠家生產(chǎn)的會有一些差別，在較復雜的頻譜中要注意分辨。
案例分析：
圖為某齒輪箱高速級葉片側水平方向的包絡解調譜，通過計算， 125Hz為軸承外圈故障頻率，可發(fā)現(xiàn)有明顯的倍頻，并兩側有轉頻邊帶，據(jù)此可斷定軸承外圈出現(xiàn)故障，該頻率在加速度頻譜也叫明顯，且總體振動較大，應為中期故障。更換軸承后，振動明顯降低。
作者 余成 高級工程師
南京安維士傳動技術股份有限公司
