齿轮箱的故障案例中，有很大一部分是来自于滚动轴承的故障。据统计，仅10%不到的轴承能运行到设计寿命年限，约40%的轴承失效是由于润滑引起的故障，30%失效是由于不对中或安装不当，还有20%的失效是由过载使用或制造上的缺陷等其他原因导致。
一般风电齿轮箱中有十几个位置不同的滚动轴承，使用内窥镜检测有的轴承检查不到且只能发现轴承明显的损伤（一般来说比较晚期了），油液检测手段只能发现磨损而无法分辨故障位置，振动检测是最有效的方法，可以有效诊断故障位置以及轴承失效位置，甚至不可见的早期故障也能发现，从而提高运行维护的效率，减小故障发生概率。
我们通过不同位置测点反馈的振动加速度随时间变化的波形，积分得到振动速度波形，二次积分得到振动位移波形，这些时域波形经过FFT(傅里叶变换)后得到频域波形，一般的轴承故障能在频谱中找到对应的故障频率。
滚动轴承故障频率：
轴承零部件故障频率与轴承转速-r、轴承的平均直径-D、滚动体直径-d、滚动体数目-n和接触角-α有关。
外圈故障频率=r/60 * 1/2 * n(1-d/D *cosα)
内圈故障频率=r/60 * 1/2 * n(1+d/D *cosα)
滚动体单故障频率=r/60 * 1/2 * D/d *[1-(d/D)^2 * cos^2(α)]
保持架外圈故障频率=r/60 * 1/2 * (1-d/D *cosα)
一般来说，轴承故障频率都是转速频率的非整数倍。在轴承故障的前中期，振动加速度频谱或者包络解调谱中，可见相应的故障频率，并且中高频段有噪声干扰。随着故障程度加剧，尤其在轴承内圈或轴承外圈缺陷开始扩展时，频率会越来越明显，出现谐波及转频调制的边带，但由于磨损，幅值会降低，若轴承故障继续恶化，调制继续，影响愈来愈大，甚至在速度频谱和时域波形上可见，直至频谱变为1X转速频率的谐波频率，轴承跑圈甚至无法运行。
正常情况下滚动轴承故障频率不应存在，当存在轴承故障频率时，可以说明轴承至少发出初始故障信号。然而，应该明确一点：单独的轴承故障频率的出现（没有谐波和边带）未必意味着轴承内一定是轴承已损坏，轴承润滑不佳，发生金属对金属的接触，轴承承受不适当的负载（过大的压配合-过盈配合偏大，对不承受轴向推力的轴承施加了轴向推力，推力轴承反向安装等等）等因素，均会导致出现轴承的故障频率。
需要注意的是，同一型号的轴承不同厂家生产的会有一些差别，在较复杂的频谱中要注意分辨。
案例分析：
图为某齿轮箱高速级叶片侧水平方向的包络解调谱，通过计算， 125Hz为轴承外圈故障频率，可发现有明显的倍频，并两侧有转频边带，据此可断定轴承外圈出现故障，该频率在加速度频谱也叫明显，且总体振动较大，应为中期故障。更换轴承后，振动明显降低。
作者 余成 高级工程师
南京安维士传动技术股份有限公司
