浅谈风力发电机主轴轴承失效分析及解决办法

沈坤

摘要：通过对风电机组主要零部件的可靠性研究表明，在风电机组的故障中电气和控制系统故障率最高，传动系统故障率相对较低。但通过进一步的研究表明，电气和控制系统的故障很容易排除，停机时间短，也不需要大型起吊工具。从机组故障引发的停机时间、维护费用和是否容易造成的继发故障等角度分析，对机械传动系统尤其是轴承方面的状态监测与维护反而更为重要。

关键词：风电机组；轴承；监测与维护

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 轴承失效理论体系

首先建立轴承失效的寿命分析体系，包括轴承的载荷分布，润滑油膜建立条件及轴承的润滑状态，轴承的寿命计算方法及影响因素。

分析轴承载荷，需建立如下传动链几何模型。

轴承的润滑理论中，以Dowson提出的最小油膜厚度公式应用较为普遍，其表述的油膜最小厚度计算公式为：

h=2.65U-0.7η0.54RQz0.13

对于特定轴承而言，轴承的尺寸和材料都是固定的，公式中每个参数，U-是与接触面运动速度、油脂运动粘度相关的物理量，η是与油脂运动粘度，Q-z是与载荷相关的物理量，R是滚动体运动半径。

由于轴承运转时内圈旋转外圈不动，滚子与内圈接触位置线速度相同，假定轴承转速为n r/min，在可以求得滚子的转动角速度为：

ω=2πn60Rir

其中Ri是内圈接触位置半径，r是滚子半径。

通过滚子速度可以计算得到U-，油膜厚度与其表面粗糙度的均方根值的比值决定了轴承的润滑状态，即令：

轴承的寿命模型可根据损伤理论建立。通过轴承寿命计算方法可计算出当前工况下轴承的寿命Li以及当前工况下轴承的转数ni，于是当前工况下轴承的损伤量Di也可以计算得到，对损伤进行累计就可得到轴承的总损伤。

D=∑Di=∑niLi

计算结果应满足D <1，若D >1，则轴承寿命不满足使用要求。

2 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。

3 通过对现场考察及对多台失效机组主轴轴承进行拆解分析，得到如下结论

在滚道组织或热处理硬度不均匀处，表面基体发生分层变形，造成表层疲劳开裂而脱落，而脱落物混入油脂中进一步加速滚道面磨损。表面硬度偏低区域，无法承受长时间压力和磨粒磨损，最终造成内外圈大面积碾压剥落，此时，轴承出现持续异常升温现象。

在进行现场考察过程中，同时还会发现轴承座安装孔部位有较为严重都螺栓压痕和锈痕，而且基本朝向一侧。轴承座底部安装面也会有异常锈蚀的现象发生。由此而知，轴承发生挤压变形的原因很大程度来自于轴承座的偏移，使得轴承无法同心而出现最后的损坏情况。

针对以上问题，可以考虑在轴承座特定位置加装测位移装置，实时监测轴承座位移情况。利用程序判断位移量及位移方向。

其次，对主轴轴承进行多点温度信号采集。通过特定程序判断计算轴承运转情况。同时，增加主轴部位都自动润滑系统，通过定期的油脂加注，改善轴承内部运转情况。

参考文献：

[1]龙霞飞，杨苹，郭红霞，伍席文.大型风力发电机组故障诊断方法综述[J].电网技术，2017，41（11）：34803491.

[2]刘海.风力发电机组中轴承的状态监测与故障诊断系统的研究[D].上海電机学院，2016.