胡憲富　劉永志　高曉徽　李飛　劉冰
（大唐錫林郭勒風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司）

　　【概　述】本文以輝騰梁風(fēng)場雙列調(diào)心滾子軸承為例，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承失效原因進(jìn)行分析。風(fēng)電機(jī)組主軸軸承結(jié)構(gòu)及受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)和產(chǎn)品選型直接影響著風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

　　【關(guān)鍵字】風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、雙列調(diào)心、主軸軸承、失效

　　一、背景
　　中國成為風(fēng)電大國，但并不表示中國是真正的風(fēng)電強(qiáng)國，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)仍相對落后。在風(fēng)電行業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，風(fēng)電事故也層出不窮，在調(diào)試和運(yùn)行中陸續(xù)出現(xiàn)了一系列嚴(yán)峻問題，風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)問題以及故障維修與診斷問題尤為突出，造成了很嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在《GL風(fēng)機(jī)認(rèn)證規(guī)范》中明確規(guī)定了風(fēng)電機(jī)組20年使用壽命要求，因此對組成風(fēng)電機(jī)組的每個(gè)零部件也同樣需求有20年的壽命。對風(fēng)機(jī)重要零部件設(shè)計(jì)包括輪轂、葉片、主軸系統(tǒng)、主機(jī)架、變槳系統(tǒng)、塔筒、偏航系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等部件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)便顯得尤其重要。
　　目前國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組主要研發(fā)水平軸式風(fēng)機(jī)與垂直軸式風(fēng)機(jī)這兩種主流形式，而國內(nèi)主要采用水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)電機(jī)組常年在野外工作，工作條件惡劣、溫度和濕度變化較大、受載情況復(fù)雜，因而要求風(fēng)電軸承具有良好的耐沖擊性、密封和潤滑性、長壽命和高可靠性。風(fēng)電軸承是風(fēng)電機(jī)組的重要支承部件，對整個(gè)機(jī)組的壽命、性能和可靠性起著非常重要的作用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承主要由傳動(dòng)系統(tǒng)軸承、偏航系統(tǒng)軸承和變槳距系統(tǒng)軸承組成，其中傳動(dòng)系統(tǒng)軸承包括主軸軸承、發(fā)電機(jī)軸承和變速箱軸承。
　　風(fēng)電機(jī)組專用軸承作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的重要組成部分，主軸軸承作用不可小覷。影響主軸軸承使用壽命的因素除精度、密封外，軸承內(nèi)外圈點(diǎn)蝕、磨損也是其主要失效形式。軸承在機(jī)械中既是運(yùn)動(dòng)連接件，又是載荷支撐件，將相互轉(zhuǎn)動(dòng)的不動(dòng)體與活動(dòng)體之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，摩擦損失小，是一種精密的機(jī)械元件。

　　二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　1、“一點(diǎn)支撐”主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

“一點(diǎn)支撐”主軸安裝位置示意圖

　　此種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)是：由于固定端軸承和浮動(dòng)端軸承使用同一個(gè)箱體，它們的同軸度更容易得到保證。因此在這種情況下，可以使用一個(gè)雙列圓錐滾子軸承作為主軸承，同時(shí)齒輪油也可以用來潤滑主軸軸承。但是在任何情況下，都必須保持軸承座與機(jī)體間可靠的連接。

　　2、“兩點(diǎn)支撐”主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“兩點(diǎn)支撐”主軸安裝位置示意圖

　　此種設(shè)計(jì)方式齒輪箱輸入軸作為浮動(dòng)端軸承，軸的偏移量是選擇軸承類型的決定因素。調(diào)心滾子軸承具有兩列滾子，該軸承能承受較大的徑向負(fù)荷力，亦能承受重大荷重及沖擊負(fù)荷。而且因?yàn)榫哂凶詣?dòng)調(diào)心性能，在某種程度上能承受兩個(gè)方向的軸向負(fù)荷。調(diào)心滾子軸承外圈滾道是球面形，故其調(diào)心性能良好，能補(bǔ)償同軸度誤差。調(diào)心滾子軸承的鼓形滾子安裝在有二條滾道的內(nèi)圈和球面外圈滾道之間。外圈滾道面的曲率中心與軸承中心一致，所以具有與自動(dòng)調(diào)心球軸承同樣的調(diào)心功能。在軸出現(xiàn)撓曲時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，不增加軸承負(fù)擔(dān)。另外更為重要的一點(diǎn)是，在安裝時(shí)要確保固定端軸承位置和浮動(dòng)端軸承位置之間的正確距離。
　　“兩點(diǎn)支撐”主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如下所示：

　　3、“三點(diǎn)支撐”主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

“三點(diǎn)支撐”主軸安裝位置示意圖

　　此種設(shè)計(jì)方式軸承被安裝在兩個(gè)獨(dú)立的軸承座內(nèi)，齒輪箱側(cè)軸承可以設(shè)計(jì)成為固定端軸承。“三點(diǎn)支撐”方式的優(yōu)點(diǎn)在于使用預(yù)緊的圓錐滾子軸承可以提高主軸的剛度，減少齒輪箱輸入零部件和軸承滾道發(fā)生假性壓痕的可能性，通過預(yù)緊并優(yōu)的內(nèi)部游隙可以確保在極端風(fēng)力情況下系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，優(yōu)化后的滾道形狀可以保證主軸系統(tǒng)大偏心情況下系統(tǒng)的正常工作。
　　“三點(diǎn)支撐”主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如下所示：

　　三、雙列調(diào)心滾子軸承
　　由于雙列調(diào)心滾子軸承具有自動(dòng)調(diào)心性能，能承受兩個(gè)方向的軸向負(fù)荷。因此該軸承適用于軸可能撓曲或裝配誤差難以避免的大型機(jī)械設(shè)備。由于風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，主軸軸承既要承受來自槳葉、輪轂、主軸的徑向載荷，同時(shí)也要承受風(fēng)力帶來的軸向載荷。故輝騰梁風(fēng)電場東汽風(fēng)機(jī)所采用的主軸軸承為雙列調(diào)心滾子軸承，為了分析主軸軸承的失效原因，現(xiàn)將雙列調(diào)心滾子軸承的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行簡單介紹。
　　1、雙列調(diào)心滾子軸承實(shí)物圖

　　2、內(nèi)部主要部件
　　保持架：使?jié)L動(dòng)體等距離分布，并減少滾動(dòng)體間的摩擦和磨損。
　　滾動(dòng)體：滾動(dòng)體使相對運(yùn)動(dòng)表面間的摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。滾動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較復(fù)雜，除繞自身軸線自轉(zhuǎn)外還沿套圈滾道，繞軸承的軸線公轉(zhuǎn)，并在滾動(dòng)的同時(shí)，伴隨有一定的滑動(dòng)。
　　3、調(diào)心滾子軸承
　　由于主軸軸承在受力情況復(fù)雜和軸變形的影響下，要求主軸軸承必須具有良好的調(diào)心性能。所以，目前大多數(shù)的主軸軸承主要采用CA型的調(diào)心滾子軸承，也有采用大錐角雙列圓錐滾子軸承的。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)安裝位置與地面間存在一定角度的傾斜，所以主軸軸承很容易發(fā)生鎖死現(xiàn)象，容易使得主軸軸承發(fā)生早期失效，因此目前國外的公司，風(fēng)機(jī)主軸軸承已經(jīng)開始使用圓錐滾子軸承。
　　調(diào)心滾子軸承外圈是一條共用的球面滾道，裝著鼓形滾子。內(nèi)圈有兩條與軸承軸線傾斜一定角度的滾道，當(dāng)軸受力產(chǎn)生彎曲時(shí)或者由于傾斜而使內(nèi)外圈中心線產(chǎn)生相對傾斜角度不大于0.5°—2°時(shí)，軸承仍然能夠正常工作，具有良好的調(diào)心性能。滾子采用鼓形，這樣在受載后接觸是非封閉的橢圓或者是近似的矩形，消除或者降低了邊緣應(yīng)力集中，同時(shí)也具有較好的抗沖擊能力、抗震動(dòng)能力，并且可以補(bǔ)償因?yàn)榘惭b與軸的變形所引起的同心度誤差。

　　四、分析過程
　　風(fēng)電機(jī)組中主軸承受的載荷來源主要有風(fēng)機(jī)葉片及輪轂的重力載荷、主軸的自重載荷、主軸軸承的支撐力和推止力、風(fēng)通過葉片以及輪轂作用在主軸上的慣性載荷及氣動(dòng)載荷等，因此主軸需要承受徑向力和風(fēng)力產(chǎn)生的軸向力。除此之外，由于風(fēng)機(jī)工作環(huán)境的特殊性，隨著風(fēng)速的驟變，還會產(chǎn)生軸向沖擊。風(fēng)機(jī)主軸軸承內(nèi)圈通過過盈配合與風(fēng)機(jī)主軸安裝在一起，軸承外圈固定在機(jī)架的專用支座上，所承受的軸向力由主軸的軸肩施加在軸承內(nèi)圈的端面上。
　　支撐主軸的關(guān)鍵部件就是滾動(dòng)軸承。處于變化載荷的情況下，風(fēng)電機(jī)組主軸的軸向偏移，可能導(dǎo)致滾動(dòng)軸承滾子發(fā)生摩損發(fā)生失效。滾動(dòng)軸承故障類型通常包括軸承內(nèi)圈、外圈或滾動(dòng)體點(diǎn)蝕以及疲勞剝落等問題。滾動(dòng)軸承故障會導(dǎo)致軸承的運(yùn)行狀況惡劣、增大摩擦阻力、提升設(shè)備的溫度、出現(xiàn)振動(dòng)信號異常等，并造成旋轉(zhuǎn)精度降低。
　　以輝騰梁風(fēng)場主軸軸承失效原因進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中由于風(fēng)機(jī)安裝位置與地面間存在5°的傾角和受風(fēng)力的影響，整個(gè)主軸會受到較大的徑向力與軸向力，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)由于受到風(fēng)力產(chǎn)生的軸向力及風(fēng)驟變造成的沖擊使葉輪側(cè)滾珠一直緊靠保持架運(yùn)行，導(dǎo)致保持架及葉輪側(cè)軸承內(nèi)圈磨損。同時(shí)齒輪箱側(cè)滾柱由于受到軸向力影響滾柱沿軸承外圈壓倒角運(yùn)行，長時(shí)間運(yùn)行磨損軸承外圈邊緣，當(dāng)出現(xiàn)驟風(fēng)時(shí)軸承外圈倒角受到?jīng)_擊出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，剝落產(chǎn)生的鐵屑在不斷的運(yùn)行過程中伴隨油脂聚集在排油口附近。在徑向載荷的作用下，鐵屑在滾柱與軸承外圈之間產(chǎn)生較大的摩擦力，導(dǎo)致滾柱及軸承外圈磨損嚴(yán)重。由于潤滑油內(nèi)存在鐵屑，不僅失去潤滑效果，而且長時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致軸承內(nèi)部各處均受到不同程度的損傷。

　　五、總結(jié)
　　主軸軸承的維護(hù)是風(fēng)電機(jī)組維護(hù)中的重要環(huán)節(jié)，主軸軸承健康狀況直接影響到風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，除對主軸軸承進(jìn)行日常維護(hù)外，還需要進(jìn)行定期的檢修和巡查，對軸承的振動(dòng)情況和潤滑情況進(jìn)行在線監(jiān)測，及時(shí)對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)還要掌握主軸軸承的檢查方法。
　　在日常運(yùn)維中，常采用聽、摸、看的檢查方法，同時(shí)要了解軸承在生產(chǎn)、運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的原理和保養(yǎng)維護(hù)常識。在日常巡檢工作中，要做到以下幾點(diǎn)：
　　1、聽，利用聽針等工具，對設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中的卡澀現(xiàn)象、有無雜音、運(yùn)轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)等進(jìn)行檢測；
　　2、摸，可用測溫儀測溫度，也可用手摸軸承的外殼溫度，是否在可控量程技術(shù)規(guī)范數(shù)值要求內(nèi)；
　　3、看，潤滑油溫的高度、油色及粘度，檢查加油記錄時(shí)間，油品，油脂添加的量及每臺設(shè)備軸承用油的型號規(guī)格是否正確；
　　4、此外，還要對軸承鏈接面進(jìn)行清理，保證干凈沒有雜物，軸承支座需要加固緊固，不能出現(xiàn)前后錯(cuò)位。
　　通過對軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解及導(dǎo)致失效的原因，將這兩者與到我們?nèi)粘z查方法相結(jié)合，讓我們可以根據(jù)現(xiàn)場主軸的運(yùn)行情況精確的判斷主軸軸承的損傷情況，并在發(fā)現(xiàn)異常后，通過加強(qiáng)潤滑、調(diào)整力矩等方法及時(shí)改善主軸軸承運(yùn)行狀況，延長其使用壽命，提升風(fēng)機(jī)的健康運(yùn)行水平。