1.5MW水冷风力发电机轴承故障原因分析及改进措施

中车永济电机有限公司 范秀云 田峰毅 严星涛 王 崙

引言

随着风电应用市场竞争日趋激烈，风电电机制造商群雄并起，抢占有限的风电市场。公司风电产品在现场运行中出现各种故障，造成巨大损失；其中轴承故障的电机占有很大比率，因此找到影响轴承故障的原因非常必要。本文从轴承质量、配件质量、轴承游隙、轴电流、组装工艺等方面分析探讨了影响1.5MW水冷风力发电机轴承故障的主要因素，并提出了改进措施。

1.影响电机轴承寿命的主要因素

1.1 轴承质量

1.5 MW水冷风力发电机所使用的轴承型号为6332M/C3，为绝缘轴承。在轴承使用前，应仔细检查轴承质量，目测轴承内、外圈滚珠、工作表面是否光洁，有无裂纹、压坑、锈蚀、剥离、疲劳起层等缺陷，保持架是否有磨损，翻边等缺陷。绝缘轴承绝缘层是否良好，绝缘层有无无明显磨伤、剥离、疲劳起层等缺陷。轴承转动是否灵活，有无明显卡滞，轴承绝缘电阻是否符合要求。如有任何异常现象，都将影响到电机轴承寿命。

1.2 配件质量

机座、端盖、轴承盖、封环、转轴等与轴承相关的配件的质量好坏对轴承的寿命起着至关重要的作用。组装前，应认真检查相关配件的外观质量，如机座、端盖、轴承盖、转轴轴承位不能有毛刺、磕碰、锈蚀、缺陷、变形等质量问题；配件尺寸不能有超差，尺寸公差应尽量符合正态分布。

在对返厂的1.5MW水冷风力发电机轴承故障的电机解体检测中，发现有75%的端盖轴承室及止口尺寸不合格，最后经评审后报废处理。

1.3 润滑脂的清洁度及添加量

在轴承装配的过程中。由于装配环境不清洁、转轴轴承位有毛刺或高点、轴承和轴承前后端盖清洗不干净、人为因素使异物进入轴承，影响润滑性能，甚至损坏轴承。这里所指的杂物不单是指那些肉眼可见的灰尘，肉眼看不到的微米级的微粒也会使轴承润滑不良。

轴承润滑的好坏还与轴承中添加的润滑脂量密切相关。润滑脂量太少，则难以形成油膜，且不能有效地带走轴承内部因素摩擦或其他原因产生的热量，而易损坏轴承。润滑脂量太多，则润滑脂会因搅拌发热而发生变质、老化。所以，在给轴承添加润滑脂时，要严格按设计和工艺的要求，控制润滑脂加油量。为了便于轴承形成初始油膜，组装时一般轴承腔内注满润滑脂，为了便于补充润滑脂同时又避免轴承内润滑脂过多而引起发热，在轴承室内注入1/3～2/3润滑脂。

1.4 轴承密封件的安装质量

轴承密封装置的作用是防止来自外部的尘埃、水分、金属粉末等异物的侵入，防止轴承原有的润滑脂泄露。当轴承内、外密封件安装不到位或安装倾斜时，将造成轴承的密封不严，就可能导致外部的尘埃、水分、金属物等进入轴承，影响轴承润滑，从而损坏轴承。

为了避免此类问题，操作者除组装时严格按工艺步逐外，在组装后，一定要检查几个配合部位是否到位、间隙是否均匀。

1.5 轴承装配游隙

轴承的游隙是轴承的一个重要参数，它与轴承的寿命有着密切的关系。

由于制造的误差、配合的公差、转子轴颈弯曲、端盖严重变形、端盖与机座止口面及轴承与端盖的配合面发生较大磨损等原因，组装后轴承的外圈与内圈间发生扭斜，使正常的轴承间隙变小或不均匀。径向游隙不均匀将导致轴承振动大、噪声大，会影响轴承的性能、缩短其使用寿命。

我们模拟了1.5MW水冷风力发电机实际运行工况，对电机端盖及轴承在不同温度下尺寸变化情况进行了检测，发现轴承的热膨胀系数要大于端盖材料的热膨胀系数，端盖轴承室与轴承之间的间隙与随着温度的上升会逐渐变小，当温度继续上升，间隙会消失甚至会产生过盈，说明设计所给的端盖轴承室与轴承外圈间隙量偏小，应加大轴承室直径。

电机组装时，若用力不均匀，端盖倾斜装入，也容易使端盖变形，造成轴承受力。为了防止端盖在装配过程中变形，装配时应对称用力，而且紧固螺栓的速度和力的大小应尽量相同。使端盖平稳地装配到机座上。

1.6 组装过程中轴承零部件发生的损伤

由于风电转子较长，且重量较重，总装时，当传动端轴承即将进入轴承室时，很难控制天车的速度，且转子不易完全吊平，容易使轴承与轴承室相撞造成造成轴承异音，缩短轴承使用寿命；而且此轴承为绝缘轴承，轴承热套或组装时，如果损坏了绝缘层，在电机的运行过程中将会引起轴承的电蚀。

1.7 轴承电蚀

从返厂电机轴承故障现场实物看，部分轴承内外圈均有明显电蚀痕迹存在，说明轴承在运行过程中有足够大的轴电流通过，并对轴承造成了电蚀。

电机轴电流可由电机磁路不对称、静电积累、高频电压等原因产生，均可通过对采用绝缘轴承，和加装接地系统进行防止。轴承绝缘系统及接地装置能否正常工作是轴承避免轴电流损害的关键。

在对返厂电机检测轴对地绝缘电阻，发现80%电机轴对地绝缘电阻≤10MΩ，检测轴承盖与封环间隙均≤0.1mm。部分电机接地碳刷破损，接地环严重烧损。从检测结果来看，电机轴承的绝缘系统、接地电刷系统已局部或全部失效。

1.8 运行维护

是否按照设计要求及时正确加注润滑脂，是否及时正确的进行接地电刷系统维护。

2.改进措施

2.1 加大端盖轴承室与外圈间隙

将YJ93A轴承室直径由加大了轴承室与轴承外圈的间隙量。

2.2 加大轴承盖内孔尺寸

针对轴承盖与封环间隙小的问题，将所有返修及新造电机轴承盖内孔加大，前外轴承盖内孔尺寸由Φ214.5+0.115改为Φ215+0.115，前内轴承盖内径由Φ179.5+0.063改制为Φ180+0.063，后内轴承盖内径由Φ178.5+0.063改制为 Φ179+0.063。电机总装后要求用塞尺检测轴承盖与封环间隙≥0.4mm，用500V兆欧表检测轴对地绝缘电阻要求≥100MΩ。

2.3 增加轴接地电刷系统

增加传动端接地碳刷系统，增加接地系统的冗余度，通过售后服务人员加强对用户培训，严格按照电机维护要求进行操作，保证接地系统正常工作。

2.4 轴承加润滑脂工艺改进

以往用手直接将润滑脂涂入轴承内，一方面因轴承内圈与保持架间隙小，很难使润滑脂完全充满轴承内腔空间，这样在轴承刚运行时难以建立油膜，容易出现干磨和磨损；另一方面手和空气中的汗渍、水分及灰尘，使加入轴承内的润滑脂不干净，容易使轴承在运行时出现滚珠滑动现象，造成轴承异常振动、摩擦和磨损，影响轴承的使用寿命。

现在采用了轴承加脂设备，并在注油机上配备油脂流量表，润滑脂用油枪从注油孔注入，在油枪的一定压力作用下，连续进入轴承内腔并逐步充满轴承滚珠之间的内腔空间，转动轴承，充满轴承的8个内腔空间。这样在油膜建立以前滚动体与滚道面之间不会出现干磨和异常噪声，也有利于油膜的建立，可以延长轴承的使用寿命。而且可以做到定量加油，保证轴承滚珠滚道内完全充满润滑脂，提高了轴承润滑质量。

2.5 制作总装导向套，提高装配质量

为保证轴承能平行的安装到端盖轴承室内，且对轴承不造成冲击，总装时增加了用尼龙做的轴承导向套。

电机总装时将导向套套到转轴上，当轴承即将进入轴承室时，总装导向套起导向作用,可有效避免轴承与轴承室撞击，消除质量隐患，防止轴承异音，提高轴承寿命；

2.6 轴承加热改进

以往烘轴承的烘箱因使用多年已老化，升温时间特别慢，而且轴承在烘箱中存放混乱，不能有效利用空间，内部加热为蒸发式加热，使得轴承加热程度受与热源距离远近的影响，经常使得轴承受热不均匀，即使是同一个轴承温差也高达50℃，严重影响轴承寿命

针对这一问题设计制作轴承存放架，轴承分两排放置，有效地利用了空间，提高了热循环效率。加热系统一直处于循环风加热状态，避免了轴承受热不均匀的现象；同时定期对轴承加热温度进行跟踪，在轴承表面上贴上测温纸，跟踪同一烘箱内的轴承温差及轴承实际温度与设定温度的差异，温差可控制在10℃以内。

2.7 加强清洁作业

为防止总装过程中有杂质、异物进入轴承润滑脂，制作防护罩，将加好油的轴承用防护罩防护好，防止杂质进入，确保装配质量；制作内外轴承盖清洁作业台，轴承盖清洗后放在干净的作业平台上，确保配件清洁，无异物。

3.结束语

要提高轴承装配质量和寿命，首先必须认识到组装工艺对轴承寿命的影响，不断地改进组装工艺。我们通过轴承加润滑脂工艺改进、制作总装导向套、轴承加热改进、清洁作业等措施，收到了良好的效果，但轴承故障问题仍是困扰我公司产品质量的一大难题，我们需继续对轴承装配工艺进行研究，彻底解决这一难题，提高我公司的产品质量。

[1]许实章主编.电机学[M].北京：机械工业出版社,1995.

[2]李发海,王岩编.电机与拖动基础[M].北京：中央广播电视大学出版社,1994.