風力發(fā)電機主軸軸承失效分析

風力發(fā)電機主軸軸承失效分析摘要：近年來，隨著我國整體經濟建設的快速發(fā)展，人們生活水平和生活質量的不斷提高，使得我國對于能源的需求越來越大。我國風電行業(yè)比較嚴重和普遍存在的問題是大型雙饋型風力發(fā)電機主軸軸承的磨損，已成為風力發(fā)電機組研發(fā)和重點排除的故障。

關鍵詞：風力發(fā)電機；主軸軸承；失效分析

引言：

時代的進步，科技的發(fā)展使我國各行業(yè)發(fā)展非常迅速，推動我國提前進入現代化發(fā)展階段。風力發(fā)電機組中主軸連接輪轂和齒輪箱，是低速重載軸承，可靠性方面要求較高，也極易出現故障。為了解決故障多發(fā)現象，需要系統(tǒng)的對現場軸承運轉狀況及失效形式進行分析和研究。

1以雙饋異步低溫型風電機組為例進行說明

以某風電場為例，安裝了100套1.5MW雙饋異步低溫型風電機組，其單機容量為1.5MW，總裝機容量為15萬kW。

2風電軸承常見問題分析

目前問題概況：從風機軸承運行情況來看，各類軸承在運行過程中的問題集中體現在：過載、疲勞導致保持架、內外圈出現斷裂或剝落現象；潤滑性能不好、游隙不合理導致的滾動體、滾道，出現磨損、擦傷現象；過熱導致軸承游隙過小，出現咬死現象；保護、維護不當，導致銹蝕、磕碰等現象，圖一。

圖一

3主軸軸承在正常情況下失效的主要原因

1）兆瓦級風力發(fā)電機的主軸軸承用的是雙列調心滾子軸承，它必須承受軸向和徑向的載荷，所以出現故障次數也比較多。這是因為具有較大的間隙的雙列調心滾子軸承，上風向側的軸承承受較小的載荷，而下風向軸承要承受很多徑向載荷和軸向力，這導致滾子過度滑動，如果潤滑不良會導致材料腐蝕并剝落，使座圈，滾子和保持架受力不均出現變形的情況，導致座圈和軸承座之間出現不協(xié)調，引起常見故障，如位移和卡住。2）在設計新的傳動系統(tǒng)時，很少使用調心軸承作為主軸軸承。一般建議使用圓錐滾子軸承，其有很強的徑向和軸向承載力，通過預緊可以均勻地加載滾輪，滾輪不易滑動摩擦。然而，在裝置過程，由于安裝精度和技術要求，軸承間隙如果調整不當會導致半干滾動摩擦，就會導致軸承失效。3）用熱裝法進行軸承裝配。由于加熱裝置的尺寸限制，只能進行局部加熱，這樣就會導致加熱不均勻，使軸承變形。4）在運輸過程中，機組的減震措施，或部分軸承長時間處于承重的狀態(tài)，也會滾道局部改變形狀。5）目前運行的風力發(fā)電機主軸軸承有潤滑脂和壓力潤滑脂這兩種主要類型的潤滑劑，其中潤滑脂的使用率高。轉子速度通常為10～20rpm，這導致軸承轉速低，不容易形成支撐載體的軸承油膜。壓力潤滑方法可以有效改變軸承的工作狀態(tài)，除了形成油膜以保護軸承時，對熱量和磨粒也可以有效清理，延長其使用壽命。如果條件允許，建議使用壓力油潤滑主軸軸承。

4軸承檢驗結果討論

1.風機軸系設計結構討論，風機軸系設計無止推軸承承受軸向力，所有軸向力由固定端球面軸承240/600或240/530承擔，是軸承總處于單滾道承載的原因，容易產生軸承運轉不靈活、無法調心等問題，特別是240/600或240/530軸承作為止推軸承使用，軸向力較大時，導致套圈滾道與滾動體接觸角發(fā)生變化，改變了滾動體受力狀態(tài)，滾動體因受力點改變而出現傾斜，摩擦保持架外端兜孔邊沿。傾斜的滾動體由全母線與滾道接觸改變?yōu)榫植拷佑|，即使之在很窄的寬度內與滾道接觸，形成較大的接觸應力而極易疲勞失效，明顯降低軸承的使用壽命。2.潤滑不良問題討論，從風機主軸軸承的歷次失效分析可見，潤滑不良是軸承溫升及失效的主要原因之一，所以，軸承的日常維護尤為主要，是設備連續(xù)安全運行的保障。1）對軸承兩側滾道潤滑脂情況分別進行檢查，特別是固定端近齒輪箱滾道是否潤滑充足。2）潤滑脂是否充足應以滾動區(qū)域的數量為準，處于軸承外部的脂是不能參與潤滑的，日常巡檢中發(fā)現軸承中潤滑脂被輾壓擠至軸承套空余空間，工作面已經無潤滑脂存在，套圈滾道及滾動體表面處于無潤滑狀態(tài)，出現損傷。）潤滑脂變質或有雜質，需將其徹底清理，然后注入適量的新脂。滾道及滾動體表面已經損傷的軸承，如果單單補充加入潤滑脂，軸承在后期使用過程中因疲勞碎屑的存在，反而加速了已經出現損傷的軸承疲勞損壞。

5軸承安裝問題討論

軸承內圈旋轉過程中，滾動體從一端受力轉變?yōu)榱硪欢耸芰?，在軸承內圈上，由近中擋邊滾道受力轉為近邊擋滾道受力，應是安裝或軸系故障導致軸承外圈與軸承內圈軸線存在一定角度，其軸線焦點不在軸承徑向中心線位置時，軸承屬于非正常運轉。

6軸承失效原因分析

1）最初排除軸承制造，裝配和疲勞損壞。風電場聯系設備制造商并對FAG軸承批次出廠證明和檢驗報告要求給予，以及發(fā)電機組裝記錄，以確認風機軸承的生產質量和組裝因素。風機的軸承使用壽命從工廠到更換只有兩年，使用壽命不到20年，不是疲勞失效的原因。2）發(fā)電機軸承潤滑系統(tǒng)的問題。潤滑劑的類型是albidaEMS2，正常是1kg儲存容量，褐黃色。潤滑脂因變質使軸承潤滑失效。存儲在其他風扇中的油脂量少于正常值，可能是潤滑泵的操作循環(huán)的設定和單次操作的時間（決定注油量）不符合軸承的正常操作的工作需求，從而導致軸承的潤滑不足。3）離合器軸的對齊問題。根據七個風扇軸的對準結果，都不在軸對齊偏差的范圍。在軸不對齊的工況下發(fā)電機轉子的高速旋轉，是發(fā)電機軸承失效的主要原因。聯軸器小螺栓力矩和發(fā)電機支腿螺栓力矩緊固問題是軸對齊無效的主要原因。4）潤滑污染。拆卸發(fā)電機軸承后，軸承上的潤滑劑變黑并含有雜質。根據風力發(fā)電場的地理位置，一年四季都有風沙，且有沙塵暴，沙塵在機艙內清晰可見，潤滑劑中的雜質可能是空氣中的沙塵。

7現場故障調查

與此同時，風場技術人員對現場故障機進行了問題排查，現場主要故障形式分析如下:a、軸承轉動困難、發(fā)熱;b、軸承產生振動，運轉發(fā)出異響;c、內座圈剝落、開裂;d、外座圈剝落、開裂;e、軸承滾道和滾動體產生壓痕。

8采取的防范措施

1.外部措施。①要求相關廠家就詳細的處理計劃達成一致，并將其報告給業(yè)主以供考慮。在獲得批準后，立即對風機進行巡檢，找出問題，確保盡快恢復供電。同時，分析風機的前軸承故障并提供分析報告。②在安裝風機吊時，要求相關廠家檢查發(fā)電機軸的對齊情況，因為風機在出廠前已經過檢查，相關廠家可能會拒絕再次檢查。③要求風機廠家設定發(fā)電機軸承潤滑系統(tǒng)的參數，是否符合實際工作需要。所有風機的前軸承潤滑系統(tǒng)，主軸承潤滑系統(tǒng)和輪轂變槳潤滑系統(tǒng)的參數設置、儲油、管道和潤滑是否測試并提交報告，同時風機廠家的技術部門應考慮軸承潤滑系統(tǒng)，以便于對風機軸承潤滑系統(tǒng)運行情況可以更好地掌控。④風機廠家應檢查風機的所有參數和固定值，特別是振動、溫度、壓力、速度等影響風機安全穩(wěn)定運行的信號，防止屏蔽風機報警。2.內部措施。①對風機運行加強控制，對100臺風力發(fā)電機的狀態(tài)信號隨時檢查，并及時注意和記錄異常信號；以振動，電池溫度等重復誤差的信息，及時上報相關領導，及時告知廠家的維修工作人員及時進行修理。②制定專人負責人參與廠家對軸承故障的技術分析，并組織專業(yè)人員參與各種風機檢查，及時記錄檢查結果。③建立風機故障管理系統(tǒng)和設備故障文件，實行責任追蹤制度，明確各級管理職責，加強分工，落實各級，明確分配風電機組故障管理。④提高風電場工作人員的理論和技能，有助于提高風機故障處理，問題分析和風機維修的能力。

結語

鑒于風機主軸設計狀態(tài)，軸承在使用過程中，受到較大的軸向力作用，造成軸承靠近齒輪箱一側滾道單側滾道局部受力，是一種犧牲球面軸承壽命的運行方式。當安裝不當或軸系出現故障、潤滑不良等多種不利因素存在時，加速了軸承工作面的磨損，短時間內引起滾道、滾動體疲勞、掉塊，保持架破碎等，導致軸承失效。

參考文獻：

[1]高秋然,風力發(fā)電機主軸軸承失效