CUMTB数据集专为风力发电机变桨轴承在时变负载下的故障诊断而设计。为解决实际运行环境下变桨轴承故障数据获取困难的问题,设计并搭建了按1:6比例缩小的变桨轴承精密加工机械平台,通过人工制造裂纹、磨损和剥落等故障采集异常信号。CUMTB数据集包含11种故障类型(含单一故障和复合故障),在3种时变负载和2种转速条件下,由4个ICP振动传感器和1个声学传感器以38.5 kHz采样率采集,共72个CSV数据文件,涵盖内圈齿根裂纹、滚动体裂纹、内外圈滚道裂纹/磨损/剥落等多种故障模式,所有故障特性均与实际故障一致。数据集同时适用于低速重载滚动轴承的研究,可用于验证新开发的故障诊断方法的有效性。
数据集引用方式:Y. Guo, J. He, J. Pu, M. Wang, B. Jiao, D. Zhang, L. Meng, E. Jiang, “Vibration and acoustic data of pitch bearing in wind turbines under time-varying load for fault diagnosis,” Data in Brief, vol. 62, 111876, 2025.
论文题目:Vibration and acoustic data of pitch bearing in wind turbines under time-varying load for fault diagnosis
作者:Yinan Guoa(a), Jiale He(a), Jiayang Pu(a), Minghao Wang(a), Botao Jiao(b), Dekun Zhang(c), Lili Meng(c), Enchao Jiang(d,e)
a:School of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 10 0 086, China b:College of Computer Science and Technology, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China c:School of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China d: Dongfang Electric Corporation Academy of Science and Technology Co. Ltd, Chengdu 610036,China e:Dongfang Electric Digital Technology Co. Ltd, Chengdu 610036,China目录
1 摘要
2 数据集概览
3 数据价值
4 背景
5 数据描述
6 实验设计、材料和方法
6.1 按比例缩小变桨轴承机械平台
6.2 故障植入方法
1 摘要
变桨轴承作为风力发电机的核心部件,通过调节气动角度将叶片带到期望位置。由于风力发电机恶劣的工作环境,变桨轴承的故障可能导致风力发电机整体失效。然而,在实际运行环境下获取变桨轴承故障的充分数据既困难又耗时。
因此,设计并搭建了一个按比例缩小的变桨轴承精密加工机械平台,以模拟其实际运行特性。在此基础上,采集并存储了按比例缩小的变桨轴承在三种负载和两种转速下11种故障类型的振动和声学数据。裂纹、磨损和剥落等故障事先在按比例缩小的变桨轴承的内圈和/或外圈滚道以及滚动体上人工制造。更重要的是,本数据集提供了单一故障和复合故障数据。
最终,本数据集为风力发电机变桨轴承故障诊断以及低速重载滚动轴承的研究提供了高质量数据。它也可用于验证新开发的故障诊断方法的有效性。此外,它为风力发电机制造商关键设备的运行和维护提供了有价值的指导。
2 数据集概览
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| 具体学科领域 | |
| 数据类型 | |
| 数据采集 | 四个ICP振动传感器(PCB 352C03)安装在按比例缩小的变桨轴承外圈的x和y方向。一个声学传感器(PCB 377B02)固定在外圈附近。声学和振动信号以38.5 kHz的频率采样10分钟,由JC_DAQ-8A监测系统采集。 |
| 数据来源位置 | 机构:中国矿业大学(北京);城市/地区:北京市海淀区;国家:中国 |
| 数据可获取性 | 仓库名称:变负载下风力发电机变桨轴承振动与声学数据用于故障诊断(Cond_1,Cond_2);变负载下风力发电机变桨轴承振动与声学数据用于故障诊断(Cond_3) |
| 数据识别号 | DOI: 10.17632/2n9jkd384k.1; 10.17632/md6hnhpv3b.1 |
| 直接URL | |
3. 数据价值
本数据集可以支持相关领域研究人员的机器学习研究。所有报告的数据均为未经滤波的原始数据,目的是保持系统响应的真实性,确保数据解释的透明度,并保证实验的可重复性。其原始或处理后的格式可以与其他公开可用的数据集结合,然后用于训练低速重载滚动轴承的故障诊断模型。
风力发电机是风力发电系统中广泛使用且必不可少的设备。变桨轴承作为其重要部件,连接轮毂和转子叶片,目的是通过调节气动角度将叶片带到期望位置。因此,准确识别其故障对于风力发电机的安全稳定运行至关重要。传统上,风力发电机轴承故障诊断的研究是在公开可用的滚动轴承数据集上进行的,如CWRU [1]、PU [2]。然而,这些数据集可能来源于普通滚动轴承,而非具有与变桨轴承相似特性的轴承。基于此,本数据集不仅为风力发电机变桨轴承的故障诊断研究提供了可靠且有价值的数据,也为具有低速重载特性的特定滚动轴承提供了数据支持。
数据来自在三种负载和两种转速下运行的按比例缩小的变桨轴承。负载随时间在轴向、径向和水平方向作用。数据集包含从健康变桨轴承以及具有裂纹、磨损和/或剥落的轴承采样的振动和声学数据。单一故障和复合故障数据都为最先进的故障诊断方法研究提供了基础。
本文中为风力发电机变桨轴承故障诊断构建的数据集简称为CUMTB。其主要特性与三个公开可用的滚动轴承数据集进行了比较,如表1所示。
表1 三个代表性数据集特征比较
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| 故障类型数 | | | | | | | |
| 信号类型数 | | | | | | | |
| 采样频率(kHz) | | | | | | | |
| 采样时长 | | | | | | | |
| 关键变量 | | | | | | | |
| 复合故障类型 | | | | | | | |
| 低速重载 | | | | | | | |
注:CUMTB的故障类型数为12(含健康状态共12种),信号类型数为2(振动+声学),是唯一同时具备复合故障数据和低速重载特性的数据集。
4. 背景
本数据集是为基于机器学习或深度学习的风力发电机变桨轴承故障诊断研究创建的。同时,由于变桨轴承与低速重载滚动轴承具有相似特性,它也适用于低速重载滚动轴承的研究。一般而言,获取特定设备(如变桨轴承)在实际运行环境下的充分故障数据既困难又耗时。因此,设计并搭建了一个按比例缩小的变桨轴承精密加工机械平台,以模拟其实际运行特性。在此基础上,我们采集了在三种负载(Cond_1、Cond_2、Cond_3)和两种转速(1RPM、3RPM)下变桨轴承11种故障类型的振动和声学数据。所有数据均按照ISO国际标准通过机械工程知识进行测量。
5. 数据描述
本数据集包含在三种负载和两种转速下从按比例缩小的变桨轴承机械平台采集的振动和声学数据 [5]。图1描绘了三个方向的时变负载,包括轴向、水平径向和垂直径向负载,分别用Fx、Fy和Fz表示。轴承以两种转速旋转,即1RPM和3RPM。
图1 三个方向的时变负载
在该平台中,安装在按比例缩小的变桨轴承外圈上的四个加速度计(PCB 352C03)用于采样x和y方向的振动信号。一个声学麦克风(PCB 377B02)放置在按比例缩小的变桨轴承外圈附近。振动和声学数据均以38.5 kHz的频率采样10分钟,由JC_DAQ-8A监测系统采集。每种数据类型采集10分钟。在特定负载和转速下采集的振动和声学数据存储在'.csv'文件中。在每个采样时刻,记录以下六个变量的值:
'Serialnumber'、'vib_y_direction_A'、'vib_x_direction_A'、'vib_y_direction_B'、'vib_x_direction_B'、'acoustic'。各数据文件的运行条件和含义描述如下:
- Cond_1_1rpm_Health.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下健康变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_Health.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下健康变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_Health.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下健康变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_Health.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下健康变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_Health.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下健康变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_Health.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下健康变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_ITRC.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下内圈齿根裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_ITRC.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下内圈齿根裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_ITRC.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下内圈齿根裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_ITRC.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下内圈齿根裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_ITRC.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下内圈齿根裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_ITRC.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下内圈齿根裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_RBC.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下滚动体裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_RBC.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下滚动体裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_RBC.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下滚动体裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_RBC.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下滚动体裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_RBC.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下滚动体裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_RBC.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下滚动体裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_IRC.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下内圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_IRC.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下内圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_IRC.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下内圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_IRC.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下内圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_IRC.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下内圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_IRC.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下内圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_IRW.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下内圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_IRW.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下内圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_IRW.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下内圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_IRW.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下内圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_IRW.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下内圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_IRW.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下内圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_IRS.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下内圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_IRS.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下内圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_IRS.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下内圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_IRS.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下内圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_IRS.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下内圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_IRS.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下内圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_ORC.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_ORC.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_ORC.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_ORC.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_ORC.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_ORC.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_ORW.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_ORW.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_ORW.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_ORW.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_ORW.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_ORW.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_ORS.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_ORS.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_ORS.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_ORS.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_ORS.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_ORS.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_IORC.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下内外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_IORC.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下内外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_IORC.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下内外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_IORC.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下内外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_IORC.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下内外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_IORC.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下内外圈滚道裂纹变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_IORW.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下内外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_IORW.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下内外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_IORW.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下内外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_IORW.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下内外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_IORW.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下内外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_IORW.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下内外圈滚道磨损变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_1rpm_IORS.csv: 该文件包含在Cond_1和1 rpm条件下内外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_1rpm_IORS.csv: 该文件包含在Cond_2和1 rpm条件下内外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_1rpm_IORS.csv: 该文件包含在Cond_3和1 rpm条件下内外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_1_3rpm_IORS.csv: 该文件包含在Cond_1和3 rpm条件下内外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_2_3rpm_IORS.csv: 该文件包含在Cond_2和3 rpm条件下内外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
- Cond_3_3rpm_IORS.csv: 该文件包含在Cond_3和3 rpm条件下内外圈滚道剥落变桨轴承在x和y方向的振动和声学数据。
数据集由72个数据文件组成,其中6个用于健康变桨轴承,其余用于在三种负载和两种转速下具有11种故障类型的变桨轴承。以'Cond_1_1rpm_Health.csv'为例,图2描绘了时域数据。

图2 Cond_1_1rpm条件下的采样数据
6. 实验设计、材料和方法
6.1 按比例缩小变桨轴承机械平台描述
按比例缩小变桨轴承的机械平台由伺服驱动电机和按比例缩小的变桨轴承组成,如图3所示。轴承按照实际变桨轴承的1:6比例缩小,确保受故障影响的设备一致性。电机通过行星减速器驱动轴承旋转,其速度由特定控制系统调节。健康轴承和各种故障轴承的振动和声学数据依次采样和采集。考虑到风场的随机性,实验期间的运行条件和负载均来自领先风力发电机制造商提供的变桨轴承实际工作环境,以保证实验数据的真实性和合理性。
图3 轴承故障诊断实验平台
6.2 故障植入方法
本机械平台中的轴承按照风力发电机实际变桨轴承的等效比例缩小。实际和按比例缩小的变桨轴承主要参数对比如表2所示。此外,实验平台和数据采集系统的详细结构参数列于表3-5。表6显示了按比例缩小变桨轴承各种故障的特性。裂纹、磨损和剥落等故障事先在内圈和/或外圈滚道以及滚动体上人工制造。图4描绘了在按比例缩小变桨轴承中制造的9种故障类型。特别是,所有类型轴承故障的特性均与实际故障一致,确保其真实性。
图4 变桨轴承故障
表2 实际轴承与按比例缩小轴承参数对比
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| 滚道材料 | | | |
| 滚动体材料 | | | |
| 尺寸 | | | |
| 润滑脂 | | | |
| 额定负载 | | | |
| 最大轴向力 | | | |
| 最大弯矩 | | | |
编辑:肖鑫鑫
校核:李正平、陈凯歌、赵栓栓、赵学功、白亮、任超、Tina、陈宇航、海洋、陈莹洁、王金、赵诚、曹希铭、张优
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