风力发电机主轴轴承失效分析

风力发电机主轴轴承失效分析

陈方平

中广核新能源宁海一市风电场

摘要：近年来，随着我国整体经济建设的快速发展，人们生活水平和生活质量的不断提高，使得我国对于能源的需求越来越大。我国风电行业比较严重和普遍存在的问题是大型双馈型风力发电机主轴轴承的磨损，已成为风力发电机组研发和重点排除的故障。

关键词：风力发电机；主轴轴承；失效分析

引言：

时代的进步，科技的发展使我国各行业发展非常迅速，推动我国提前进入现代化发展阶段。风力发电机组中主轴连接轮毂和齿轮箱，是低速重载轴承，可靠性方面要求较高，也极易出现故障。为了解决故障多发现象，需要系统的对现场轴承运转状况及失效形式进行分析和研究。

1以双馈异步低温型风电机组为例进行说明

以某风电场为例，安装了100套1.5MW双馈异步低温型风电机组，其单机容量为1.5MW，总装机容量为15万kW。

2风电轴承常见问题分析

目前问题概况：从风机轴承运行情况来看，各类轴承在运行过程中的问题集中体现在：过载、疲劳导致保持架、内外圈出现断裂或剥落现象；润滑性能不好、游隙不合理导致的滚动体、滚道，出现磨损、擦伤现象；过热导致轴承游隙过小，出现咬死现象；保护、维护不当，导致锈蚀、磕碰等现象，图一。

图一

3主轴轴承在正常情况下失效的主要原因

1）兆瓦级风力发电机的主轴轴承用的是双列调心滚子轴承，它必须承受轴向和径向的载荷，所以出现故障次数也比较多。这是因为具有较大的间隙的双列调心滚子轴承，上风向侧的轴承承受较小的载荷，而下风向轴承要承受很多径向载荷和轴向力，这导致滚子过度滑动，如果润滑不良会导致材料腐蚀并剥落，使座圈，滚子和保持架受力不均出现变形的情况，导致座圈和轴承座之间出现不协调，引起常见故障，如位移和卡住。2）在设计新的传动系统时，很少使用调心轴承作为主轴轴承。一般建议使用圆锥滚子轴承，其有很强的径向和轴向承载力，通过预紧可以均匀地加载滚轮，滚轮不易滑动摩擦。然而，在装置过程，由于安装精度和技术要求，轴承间隙如果调整不当会导致半干滚动摩擦，就会导致轴承失效。3）用热装法进行轴承装配。由于加热装置的尺寸限制，只能进行局部加热，这样就会导致加热不均匀，使轴承变形。4）在运输过程中，机组的减震措施，或部分轴承长时间处于承重的状态，也会滚道局部改变形状。5）目前运行的风力发电机主轴轴承有润滑脂和压力润滑脂这两种主要类型的润滑剂，其中润滑脂的使用率高。转子速度通常为10～20rpm，这导致轴承转速低，不容易形成支撑载体的轴承油膜。压力润滑方法可以有效改变轴承的工作状态，除了形成油膜以保护轴承时，对热量和磨粒也可以有效清理，延长其使用寿命。如果条件允许，建议使用压力油润滑主轴轴承。

4轴承检验结果讨论

1.风机轴系设计结构讨论，风机轴系设计无止推轴承承受轴向力，所有轴向力由固定端球面轴承240/600或240/530承担，是轴承总处于单滚道承载的原因，容易产生轴承运转不灵活、无法调心等问题，特别是240/600或240/530轴承作为止推轴承使用，轴向力较大时，导致套圈滚道与滚动体接触角发生变化，改变了滚动体受力状态，滚动体因受力点改变而出现倾斜，摩擦保持架外端兜孔边沿。倾斜的滚动体由全母线与滚道接触改变为局部接触，即使之在很窄的宽度内与滚道接触，形成较大的接触应力而极易疲劳失效，明显降低轴承的使用寿命。2.润滑不良问题讨论，从风机主轴轴承的历次失效分析可见，润滑不良是轴承温升及失效的主要原因之一，所以，轴承的日常维护尤为主要，是设备连续安全运行的保障。1）对轴承两侧滚道润滑脂情况分别进行检查，特别是固定端近齿轮箱滚道是否润滑充足。2）润滑脂是否充足应以滚动区域的数量为准，处于轴承外部的脂是不能参与润滑的，日常巡检中发现轴承中润滑脂被辗压挤至轴承套空余空间，工作面已经无润滑脂存在，套圈滚道及滚动体表面处于无润滑状态，出现损伤。）润滑脂变质或有杂质，需将其彻底清理，然后注入适量的新脂。滚道及滚动体表面已经损伤的轴承，如果单单补充加入润滑脂，轴承在后期使用过程中因疲劳碎屑的存在，反而加速了已经出现损伤的轴承疲劳损坏。

5轴承安装问题讨论

轴承内圈旋转过程中，滚动体从一端受力转变为另一端受力，在轴承内圈上，由近中挡边滚道受力转为近边挡滚道受力，应是安装或轴系故障导致轴承外圈与轴承内圈轴线存在一定角度，其轴线焦点不在轴承径向中心线位置时，轴承属于非正常运转。

6轴承失效原因分析

1）最初排除轴承制造，装配和疲劳损坏。风电场联系设备制造商并对FAG轴承批次出厂证明和检验报告要求给予，以及发电机组装记录，以确认风机轴承的生产质量和组装因素。风机的轴承使用寿命从工厂到更换只有两年，使用寿命不到20年，不是疲劳失效的原因。2）发电机轴承润滑系统的问题。润滑剂的类型是albidaEMS2，正常是1kg储存容量，褐黄色。润滑脂因变质使轴承润滑失效。存储在其他风扇中的油脂量少于正常值，可能是润滑泵的操作循环的设定和单次操作的时间（决定注油量）不符合轴承的正常操作的工作需求，从而导致轴承的润滑不足。3）离合器轴的对齐问题。根据七个风扇轴的对准结果，都不在轴对齐偏差的范围。在轴不对齐的工况下发电机转子的高速旋转，是发电机轴承失效的主要原因。联轴器小螺栓力矩和发电机支腿螺栓力矩紧固问题是轴对齐无效的主要原因。4）润滑污染。拆卸发电机轴承后，轴承上的润滑剂变黑并含有杂质。根据风力发电场的地理位置，一年四季都有风沙，且有沙尘暴，沙尘在机舱内清晰可见，润滑剂中的杂质可能是空气中的沙尘。

7现场故障调查

与此同时，风场技术人员对现场故障机进行了问题排查，现场主要故障形式分析如下:a、轴承转动困难、发热;b、轴承产生振动，运转发出异响;c、内座圈剥落、开裂;d、外座圈剥落、开裂;e、轴承滚道和滚动体产生压痕。

8采取的防范措施

1.外部措施。①要求相关厂家就详细的处理计划达成一致，并将其报告给业主以供考虑。在获得批准后，立即对风机进行巡检，找出问题，确保尽快恢复供电。同时，分析风机的前轴承故障并提供分析报告。②在安装风机吊时，要求相关厂家检查发电机轴的对齐情况，因为风机在出厂前已经过检查，相关厂家可能会拒绝再次检查。③要求风机厂家设定发电机轴承润滑系统的参数，是否符合实际工作需要。所有风机的前轴承润滑系统，主轴承润滑系统和轮毂变桨润滑系统的参数设置、储油、管道和润滑是否测试并提交报告，同时风机厂家的技术部门应考虑轴承润滑系统，以便于对风机轴承润滑系统运行情况可以更好地掌控。④风机厂家应检查风机的所有参数和固定值，特别是振动、温度、压力、速度等影响风机安全稳定运行的信号，防止屏蔽风机报警。2.内部措施。①对风机运行加强控制，对100台风力发电机的状态信号随时检查，并及时注意和记录异常信号；以振动，电池温度等重复误差的信息，及时上报相关领导，及时告知厂家的维修工作人员及时进行修理。②制定专人负责人参与厂家对轴承故障的技术分析，并组织专业人员参与各种风机检查，及时记录检查结果。③建立风机故障管理系统和设备故障文件，实行责任追踪制度，明确各级管理职责，加强分工，落实各级，明确分配风电机组故障管理。④提高风电场工作人员的理论和技能，有助于提高风机故障处理，问题分析和风机维修的能力。

结语

鉴于风机主轴设计状态，轴承在使用过程中，受到较大的轴向力作用，造成轴承靠近齿轮箱一侧滚道单侧滚道局部受力，是一种牺牲球面轴承寿命的运行方式。当安装不当或轴系出现故障、润滑不良等多种不利因素存在时，加速了轴承工作面的磨损，短时间内引起滚道、滚动体疲劳、掉块，保持架破碎等，导致轴承失效。

参考文献

[1]高秋然,风力发电机主轴轴承失效分析[J].通用机械,2016(5):79-81.

[2]陈文静.基于HHT的风力发电机主轴轴承故障诊断[D].乌鲁木齐:新疆大学,2013.

[3]陈波.风力发电机主轴轴承疲劳失效原因分析与研究[A].中国农业机械工业协会风能设备分会2012年度论文集(下)[C].中国农业机械工业协会风力机械分会,2012:4.