对某风力发电机组变桨轴承故障的原因分析

张军昌

摘要 某风力发电场在生产试运行期间，先发生风机叶片变桨轴承卡死故障，后又有多台风机因变桨轴承故障停机事故，经过查找原因分析，为风机叶片变桨轴承失效所致，最后采取对风电场所有风机变桨轴承进行更换，通过此次事故的处理，给我们留下很多反思。

关键词 风力发电机组；变桨轴承；故障；原因分析

中图分类号 TM3

文献标识码 A

文章编号2095-6363（2015）10-0110-02

1 事故经过

海盐中电工程风电场安装20台浙江运达公司生产的WD115-2000型风力发电机组，风机塔筒高度90米，叶片长度56.5米，叶轮直径115米，此机型在全国首次大批量投入使用，是新型风力发电机组，2014年1月份20台风机全部并网发电；自2015年2月份以来，先后有10余台风机多次发生变桨系统故障停机，主要故障有风机变桨电机过电流、两桨叶桨距角差值过大等使风机不能正常运行。

2015年3月11日23：30分，运行中的#17风机监控后台报：安全链故障、变桨电机过电流、桨距角差值过大故障停机，在风机监控后台复归无效，风机无法运行。

3月12日风机厂家检查发现变桨电机有焦糊味，测量电机绝缘电阻为零，判断电机已烧坏，随后进行更换变桨电机工作，更换新电机后仍不能转动。

3月13日风机厂家继续排查变桨电机烧坏的原因，未找到原因，初步判断怀疑变桨减速箱的故障可能性较大，通知南京高速齿轮厂家人员到现场进行检查处理。

3月14日南京高速齿轮厂家人员到达现场，对风机叶片变桨系统减速箱解体检查，结果未发现齿轮箱有问题。

3月15日风机厂家对卡死的变桨电机采取更换编码器，更换变桨电机驱动器等措施处理，结果叶片不能转动。

3月20日变桨轴承厂家技术人员到现场，经过检查评定变桨轴承已经卡死，需返厂检查，查找原因。

2 处理措施

针对#17风机变桨轴承已卡死，不能转动的情况，在风机高空无法进行处理，需将风机轮毂及叶片下塔后对卡死的轴承进行检查，更换处理，由风机厂家编制风力发电机组变桨轴承更换方案，组织专业风机吊装施工公司进行吊装及更换，2015年4月1日-8日对#17风机三只叶片变桨轴承进行更换，并将更换下的轴承送至轴承厂家进行撤解检测。

3 轴承撤解分析

4月21日至4月24日，从中电工程海盐风电场返厂的#3风机三个变桨轴承在几方共同见证下在瓦轴工厂进行拆解检测工作。经过拆解发现运行中卡死的轴承保持架断裂为三段，另外两个运行中未出现异响且现场未报过故障的轴承保持架也分别断裂为两段和有一处断裂，具体情况如下。

3.1 编号2014-09-16变桨轴承运行时卡死，现场拆解发现存在以下问题

1）启动力矩：拆解前对启动力矩进行检测，启动力变化区间在597～810KG。

2）保持架：拆解之后发现上列保持架断裂三段（桨叶侧），下列保持架基本保存完好。

3）滚道：双滚道都存在压痕，滚道接触点向外侧发生偏移，上滚道下半圆弧存在压溃，凸起约1.5mm；内圈椭圆度为0.67mm，外圈椭圆度为0.70mm，滚道硬度约为59-61HRC。

3.2 编号2014-09-18变桨轴承运行时无异响，现场拆解发现存在以下问题

1）启动力矩：整体力为585～620KG，除去密封圈启动力为156～189KG，上下单排启动力分别110～132KG/102～112KG。

2）保持架：拆解之后发现上列保持架断裂一段（桨叶侧），油脂发黑，下列保持架基本保存完好，油脂保持原色。

3）轴径向跳动分别为0.16/0.20mm，齿跳为0.35mm，内圈安装孔桨叶侧端面存在2处压痕，与螺栓分度圆相切处并沿轴向存在几处6～7cm长的拉痕。

4）淬火情况：硬度约60HRC，淬火深度为3.7～4.2mm。

3.3 编号2014-09-17变桨轴承运行时无异响，现场拆解发现存在以下问题

1）启动力矩：整体力为727～950KG，除去密封圈启动力为223～270KG。

2）保持架：拆解之后发现上列保持架断裂二段（桨叶侧），油脂发黑，下列保持架基本保存完好，油脂发黑。

3.4 针对轴承拆解过程中发现的现象，可以认为轴承存在批量质量问题。风机厂家提出以下看法

1）现场测量发现轴承滚道淬火层厚度不符合设计图纸要求，瓦轴方面应从加工工艺方面排查保持架变形断裂原因。

2）瓦轴需测量保持架的大小与轴承滚道是否匹配。

3.5 瓦轴方面提出以下看法

1）从目前拆解的四个轴承的损坏情况来看，轴承存在批量质量问题。要求风机厂家重新提供叶片载荷原始数据和轴承与轮毂、叶片与轮毂之间相关连接件的参数，以便瓦轴从设计上重新进行系统性的分析，确定是否存在设计缺陷。

2）由于拆解轴承中发现与叶片连接螺栓面存在明显的磨损痕迹和螺纹变形现象，风机厂家应排查叶片现场安装工艺是否存在问题。

3）瓦轴提出下次更换轴承时需到海盐风电场全程参与轴承拆卸过程并在现场对轴承检测，具体形式待各方协商后确定。

4 轴承分析结论

为查找变桨轴承卡死根本原因，轴承厂家成立了专项工作组，对返厂的变桨轴承进行细致的检验与分析，开展了包括外观检查、金相检验及模拟分析等大量工作。

1）轴承外观检验发现：滚道表面存在多条轴向压痕，钢球与外圈滚道、内圈滚道接触轨迹均偏向沟口部位，沟口出现挤压变形，保持架断口位于兜孔中部两侧，其截面呈典型的受较大拉力引起的断裂形貌，与断口部位相邻的兜孔中部两侧亦存在不同程度的拉伸变形。

2）热处理质量检验：对外圈滚道局部取样检验，结果显示滚道淬火不均，沟口部位淬火硬化层深度较浅，距挡边约4mm处未淬火。

3）轴承失效机理分析：经检验，故障轴承滚道表面存在多条轴向压痕，痕迹延伸至沟口边缘。轴承在较大的覆力矩作用下，钢球产生向滚道沟口处偏移的趋势。由于沟口处淬火硬化层没有到达挡边，未淬火处距挡边月4mm，致使该区域滚道接触强度不足，无法对钢球起到有效支撑进而引起变形，随变形量不断加大，钢球向沟口部位偏移的程度亦逐加重，直至挤压沟口边缘并使该区域产生严重的变形。沟道严重变形后，阻碍了钢球的正常运转，使得钢球在进、出承载区时转速不均。经模拟分析，兜孔中部两侧为保持架强度相对较弱部位，该部位受到钢球间因转速不同产生的拉伸力反复作用，逐渐变形并萌发裂纹，裂纹进一步扩展为开裂。

此批次变桨轴承失效为套圈滚道淬火质量不合格所致。对该批次变桨轴承进行更换处理。

5 结论与建议

风力发电作为一种新型清洁能源，在国际上得到很多国家的认可，是优先的能源发展方向，近几年，我国风电装机发展较快，已成为全球第一风机装机大国，仅国家能源局列入“十二五”第五批风电核准计划的项目共计3400万千万，这还不包括新疆、吉林、辽宁等弃风限电较大的地区；这就导致风机供不应求，风机厂家在选配件时，没有主动权，这就使近几年来风机大部件多次出现批次质量问题，给风机厂家、生产企业带来严重的经济损失，因此，对风机生产厂家有以下建议。

1）风机生产厂家面对当今激烈的市场竞争，一定要严把质量关，严把风机配件关，如质量关把不好，这将给企业带来严重的灾难。

2）风机生产厂家要重视研发，从资金、技术、人力方面加大投入，适应市场需求；对新研发机型，从模型、样机，到投入批量生产，要经过充分的设计、论证、变更、优化等步骤进行，在国外一种新机型从研发到投入批量生产至少需要3-5年的时间，而在国内做此项工作时间只有1-2年就进入批量生产，应用时间太短，一旦出现问题，变更、优化、纠正的难度很大，这也给后续生产埋下隐患。