SKF大型混合陶瓷深溝球軸承_風(fēng)力發(fā)電機的可靠解決方案

1、DC-AC電機技術(shù)論壇應(yīng)用EMCA2008,35(12)SKF大型混合陶瓷深溝球軸承風(fēng)力發(fā)電機的可靠解決方案GerwinPreisinger(SKFOsterreichAG,IndustrialElectricalSegment,SeitenstettnerStr.15,4401Steyr,A)摘要:早期的風(fēng)力發(fā)電機軸承失效頻繁發(fā)生,原因多種多樣,在研究應(yīng)用條件和調(diào)查軸承失效的基礎(chǔ)上,基本確認(rèn)了造成軸承失效的根本原因:雙饋感應(yīng)發(fā)電機變頻驅(qū)動所導(dǎo)致的軸承過電流和相應(yīng)的電腐蝕及潤滑、磨損等。對風(fēng)力發(fā)電機軸承早期失效的根本原因進(jìn)行論述,同時介紹了SKF最新大型混合陶瓷深溝球軸承在減小軸承失效、增加運

2、行可靠性方面的優(yōu)勢及其在風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)用中的解決方案。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電;軸承;解決方案中圖分類號:TM315文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:167326540(2008)1220054204SKFX2LargeHybridDeepGrooveBallBearingsAReliableSolutionforWindTurbineGeneratorsGerwinPreisinger(SKFOsterreichAG,IndustrialElectricalSegment,SeitenstettnerStr.15,4401Steyr,A)Abstract:Prematurebearingfailuresofwi

3、ndturbinegeneratorsareoccurringfrequently.Thereasonsaremani2fold,butbasedonapplicationstudiesandbearinginvestigationstwomainrootcauseshavebeenidentified:electricalcurrentpassage,electricalerosionrespectively,duetofrequencyconvertersupplyofdoubly-fedinductiongeneratorsandlubricationandwearrelatedprob

4、lems.Strivestogiveanoverviewontypicalrootcausesforprematurebearingfail2uresinwindturbinegeneratorapplicationsandintroducesextra-large(XL)hybriddeepgrooveballbearingsasanewSKFsolutiontosignificantlyreducegeneratorbearingfailuresandtoincreasetheoverallreliabilityandoperatingavailabilityofwindturbines.

5、Keywords:windturbinegenerators;bearings;solution0引言電力電子技術(shù)在變速控制中的應(yīng)用越來越多,這種技術(shù)替代了很多傳統(tǒng)的調(diào)速方式,如機械齒輪箱驅(qū)動、液壓驅(qū)動等。變頻器的應(yīng)用使電機可以在零到額定轉(zhuǎn)速之間自由調(diào)速,并能使其一直運行于合適的工作點,因此提高了電機的效率和動態(tài)響應(yīng)能力,同時降低了能源消耗。相同的技術(shù)同樣也應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機中。在過去的5、6年里,大型風(fēng)力發(fā)設(shè)備中的“雙饋發(fā)電機”成為了典型應(yīng)用,并且越來越流行,這種技術(shù)可以使風(fēng)力發(fā)電機在相對寬廣的速度范圍內(nèi)運行。雙饋發(fā)電機中轉(zhuǎn)子繞組由變頻器供電,電機可以在變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的情況下優(yōu)化發(fā)電能量并保持穩(wěn)定

6、的線頻率,同時對有功功率和無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是,54由于變頻器系統(tǒng)的引入,過電流引起的軸承失效問題頻繁出現(xiàn),并成為發(fā)電機早期故障的主要原因。同時,確認(rèn)了軸承失效的另一個主要的原因是潤滑和相應(yīng)的磨損。本文闡述了在風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)用中軸承早期失效的根本原因,同時介紹了超大型混合陶瓷球軸承技術(shù),這項SKF提出的技術(shù)可以顯著減少發(fā)電機中的軸承失效,并增加設(shè)備的總體可靠性和運行穩(wěn)定性。1風(fēng)力發(fā)電機中的軸承失效在各種各樣機械設(shè)備的零件中,軸承是最重要的部分,電機中的軸承失效還可能由很多其他原因造成,如:超過預(yù)期負(fù)荷、潤滑不當(dāng)、運輸和停機時的不當(dāng)處置、電腐蝕、安裝拆卸造成損壞、軸DC-AC電機技術(shù)論壇承內(nèi)部的

7、污染、密封失效、軸和軸承室公差配合不電機中常用2008,35(12)應(yīng)用EMCA),它的功能需要有某些拓展,諸如:當(dāng)?shù)取Ｃ總€因素都會造成不同的損害,同時,會在軸承里留下他們自己特有的痕跡。通過對應(yīng)用實例和軸承的研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)力發(fā)電機中的軸承失效都直接或者間接的與過電流、潤滑和磨損有關(guān)。1.1電腐蝕在變頻器供電的雙饋發(fā)電機中,電流流過軸承的問題十分常見,這種現(xiàn)象就是所謂的電腐蝕。軸承電腐蝕通常發(fā)生在電流經(jīng)由滾動體從一個滾道流到另一個滾道的時候。電蝕對軸承的破壞程度取決于放電能量和持續(xù)時間,但破壞效果基本相似,包括:滾動體和滾道上的微小電蝕凹坑、潤滑迅速退化、失效第二階段的搓板紋及相應(yīng)的軸承失效等。

8、放電時產(chǎn)生的熱量會使軸承材料表面融溶,產(chǎn)生凹坑,同時金屬的融屑會發(fā)生轉(zhuǎn)移,脫離原來的位置。電蝕凹坑表面的金屬會被再硬化,變得比之前的軸承材料更脆。再硬化層下面是一層退火層,這部分的材料比周圍軟。受損傷的軸承表面看起來發(fā)暗,其特征是有很多融溶的小坑。這些微小的凹坑遍布于滾動體表面和滾道之上,凹坑的尺寸很小,不論在內(nèi)圈、外圈或者滾動體上,它的直徑通常有只有58m。因此也只有在非常高倍的顯微鏡下才可以看到這些凹坑的形狀。此外,電流放電同樣導(dǎo)致軸承內(nèi)部潤滑的變性,并且迅速退化。高溫使?jié)櫥瑱C中的添加劑和基油發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致基油燃燒和碳化,添加劑將會被快速用盡。因此潤滑機就會變得更硬甚至變黑(圖1),不能滿

9、足潤滑的要求。潤滑機的迅速失效也是過電流導(dǎo)致失效的一個典型模式。圖1球軸承保持架的片段(過電流導(dǎo)致由潤滑至變黑)1.2潤滑滾動軸承穩(wěn)定運行達(dá)到運行壽命的一個重要條件就是有足夠的潤滑。潤滑劑的作用就是形成保護(hù)性油膜,分隔滾動接觸表面,防止金屬與金屬的直接接觸。潤滑劑還應(yīng)有保護(hù)相應(yīng)部件不受腐蝕的作用。當(dāng)使用潤滑脂作為潤滑劑時(風(fēng)力發(fā)保護(hù)軸承不受固體顆粒、灰塵和水的污染等。油脂有一些重要的性能,包括:黏度、油膜形成能力和密度等。對油膜厚度最重要的影響因素就是軸承的大小、轉(zhuǎn)速、溫度,負(fù)荷及基油黏度。要獲得潤滑脂的某些特殊性能往往需要一些添加劑,如:防銹添加劑可以防止金屬生銹及潤滑脂的氧化。風(fēng)力發(fā)電機被

10、安裝在世界各地,經(jīng)受不同的氣候環(huán)境,也要適應(yīng)不同的環(huán)境變化。例如,環(huán)境溫度就與風(fēng)力發(fā)電機安裝的地域、緯度、季節(jié)相關(guān)。同樣,安裝在北海和靠近沙漠的風(fēng)場濕度會有很大的不同。風(fēng)力發(fā)電機中的潤滑劑要適應(yīng)這些變化。有時在特定的工作環(huán)境(例如溫度)下的參數(shù)非常難以準(zhǔn)確預(yù)知,導(dǎo)致了由于潤滑脂選型不當(dāng)造成的潤滑表現(xiàn)不良。不足量的潤滑會導(dǎo)致金屬表面疲勞和磨損,從而減小軸承的壽命。,金屬表面就不會被充分隔離,就會發(fā)生金屬和金屬的直接接觸。這樣的情況可能是由污染、潤滑不足等情況造成的。對軸承定期進(jìn)行補充潤滑,對于保證它的良好運行和達(dá)到預(yù)計壽命非常重要。通常裝機的風(fēng)力發(fā)電機中,發(fā)電機的再潤滑都是通過人工在例行維護(hù)中進(jìn)

11、行的。這樣的過程中,工人每6個月就要爬到塔頂進(jìn)行一次工作,有時在例行維護(hù)中,發(fā)電機的再潤滑會被忘記;還有時這樣的時間間隔相對于發(fā)電機軸承的實際工作狀況來說又太長了。1.3磨損通常情況下,軸承內(nèi)部的磨損很少。當(dāng)外界顆粒污染進(jìn)入軸承或潤滑不足時,便會導(dǎo)致磨損的發(fā)生。停機時,軸承的震動也可能導(dǎo)致磨損。風(fēng)力發(fā)電機的應(yīng)用經(jīng)常不僅要適應(yīng)運行時的惡劣環(huán)境,同時還要適應(yīng)維護(hù)時停機的工況。由于型號的原因,發(fā)電機中的軸承通常是開式的深溝球軸承。由外界的迷宮式密封保護(hù)軸承,即便如此,仍然存在著污染物進(jìn)入軸承室的風(fēng)險。污染的最普遍來源包括:潤滑不足(比如,干燥的優(yōu)質(zhì)顆粒)產(chǎn)生的污染,損壞的密封件,環(huán)境污染顆粒以及由于

12、安裝和更換軸承室操作不當(dāng)引起的污染等。這些污染顆粒經(jīng)過滾動體的滾壓就會在軸55DC-AC電機技術(shù)論壇承的滾道上導(dǎo)致疲勞形成散裂圖。一種陶瓷材料它擁有很多有益的特性高硬度、應(yīng)用EMCA2008,35(12)(2),:在運輸過程中,如果發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸固定不良,震動發(fā)生在軸承的游隙之中,這些都有可能損壞軸承;同樣,如果發(fā)電機處于停機狀態(tài),經(jīng)過一圖2滾道表面由于由于滾過污染顆粒造成的痕跡段時間的震動也會導(dǎo)致軸承損傷。對于以前設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機在停機時仍然沒有停止旋轉(zhuǎn),這樣的故障十分普遍。因此,在更新的設(shè)計中,漿葉在停機時依然緩慢地旋轉(zhuǎn)。但在發(fā)電機靜止時,軸承內(nèi)部相互接觸的部件之間沒有潤滑劑來形成油膜,進(jìn)

13、而產(chǎn)生滾動體和滾道之間的金屬直接接觸。如果再引入外界的震動,這個震動就會使?jié)L動體相對滾道發(fā)生非常微小的位移,在這樣的位移情況下金屬之間微小的冷焊點和磨損會使?jié)L道產(chǎn)生損壞,出現(xiàn)微動腐蝕。這樣的損壞通常發(fā)生于滾子等間距的地方,呈現(xiàn)顏色的變化或者光澤的變化。這種損壞就是所謂的“偽布氏壓痕”(圖3)。圖3停機震動產(chǎn)生的圓柱滾子軸承上的偽布氏壓痕2混合陶瓷軸承混合陶瓷軸承(圖4)由軸承鋼質(zhì)的軸承圈和軸承級氮化硅材料的滾動體組成。氮化硅材料是56電絕緣、低密度和穩(wěn)定性;同時還有很出色的電氣絕緣特性?；旌咸沾奢S承有更高的速度能力,與普通的全鋼質(zhì)軸承相比在大多數(shù)工況下有更長的使用壽命。圖4軸承剛材質(zhì)套圈以及軸

14、承級氮化硅(陶瓷)材質(zhì)滾動體構(gòu)成的混合陶瓷軸承氮化硅材質(zhì)的一個非常重要的特性就是它有非常良好的電絕緣性能。這種性能使軸承免于受到過電流的損傷,同時在變頻器供電的變速驅(qū)動電機中增長了軸承的使用壽命。氮化硅材料的密度是鋼材質(zhì)的40%,使得軸承的滾動體質(zhì)量變得更輕,也擁有更小的慣性,這意味著在快速起停時減小了保持架的受力,與全鋼質(zhì)軸承相比在高速運行時減小了軸承摩擦。更低的摩擦就意味著運行溫度更低,更長的再潤滑時間間隔及潤滑劑壽命。因此,混合陶瓷軸承在高速下具有更加優(yōu)越的性能。SKF混合陶瓷軸承對潤滑不足不是非常敏感,這使它在更加嚴(yán)酷的動態(tài)環(huán)境下或者在低運行黏度潤滑條件下,比全鋼質(zhì)軸承有更長的運行壽命

15、。與鋼相比氮化硅材料具有更高的硬度和更大的彈性模量,這增加了軸承的堅固性,延長了混合陶瓷軸承在污染環(huán)境下的運行壽命。在潤滑不良和惡劣環(huán)境下運行時,混合陶瓷軸承就耐磨性能上的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全鋼質(zhì)軸承。另一方面,相同尺寸的氮化硅材料的球比鋼材質(zhì)的球具有更小的熱膨脹量,這減小了軸承內(nèi)部由于熱分布而帶來的敏感性,同時使預(yù)負(fù)荷的控制更加精確。為了確保最優(yōu)的質(zhì)量,SKF用一套復(fù)雜的軸承滾動體用氮化硅材料技術(shù)要求來控制質(zhì)量。這一技術(shù)要求包括材料強度、材質(zhì)宏觀微觀組織結(jié)構(gòu)、硬度、DC-AC電機技術(shù)論壇剛性、滾動接觸的疲勞表現(xiàn)以及滾動體成品表面高頻電流同時其具有在嚴(yán)酷運行條件下卓越的2008,35(12)應(yīng)用EM

16、CA,的外觀等。混合陶瓷軸承的各個部件都是按照滾動體氮化硅材質(zhì)的高要求進(jìn)行選擇的。上述混合陶瓷材料的特性可以解決風(fēng)力發(fā)電機中如第一部分所述的問題。SKF的超大型混合陶瓷深溝球軸承是一個可以極大地減小風(fēng)力發(fā)電機中軸承提早失效的解決方案。摩擦學(xué)性能。SKF已經(jīng)開發(fā)出一個超大型混合陶瓷深溝球軸承的系列產(chǎn)品(見表1),這個系列產(chǎn)品針對風(fēng)力發(fā)電機的應(yīng)用優(yōu)化產(chǎn)品性能,涵蓋了主流風(fēng)場中的主要型號范圍。在傳統(tǒng)的設(shè)計中兩個相同型號的深溝球軸承被安置在風(fēng)力發(fā)電機的驅(qū)動段和非驅(qū)動端。為了避免過電流和解決電蝕問題,在雙饋發(fā)電機的軸承中建議用超大型混合陶瓷深溝球軸承替代全鋼質(zhì)深溝球軸承。這樣可以解決由于潤滑不良及污染帶

17、來的磨損,同時提高了運行可靠性。3超大型混合陶瓷深溝球軸承從技術(shù)角度來說,混合陶瓷軸承是風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)用中最可靠的解決方案。因為其不僅具有非常良好的電絕緣材料,可以徹底杜絕流過軸承的表1超大型混合陶瓷深溝球軸承數(shù)據(jù)dDB動態(tài)基本靜態(tài)基本額定轉(zhuǎn)速-1最小轉(zhuǎn)速)/(rmin43004000380036003200280028002800-1質(zhì)量)/kg9.5012.816.016.623.025.331.437.8/mm110120130140150160170180/mm240260280300320340360380/mm5055586265687275負(fù)荷率/kw負(fù)荷率/kw/(rmin187

18、.5200.3212.2265.9288.7330.9330.9330.9174.8198.7222.8265.9306.5391.1391.1391.180007500670063006000530053005300型號6322/HC5C3S0VA9706324/HC5C3S0VA9706326/HC5C3S0VA9706328/HC5C3S0VA9706330/HC5C3S0VA9706332/HC5C3S0VA9706334/HC5C3S0VA9706336/HC5C3S0VA970注:補充后綴:HC52陶瓷滾動體;C3,C3P2徑向游隙;S02熱處理穩(wěn)定性;VA9702風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)用專門設(shè)計對現(xiàn)有深溝球軸承用SKF超大型混合陶瓷深溝球軸承替換十分簡便。這種軸承依