风力发电机偏航轴承故障检测分析研究

乔 伟 安 康 王 朋

（国华<巴彦淖尔>风电有限公司，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

0 引言

风力发电是一种清洁能源，近年来装机容量快速增长。 偏航轴承是风电设备中最重要的零部件。 偏航轴承性能与工况的好坏直接影响偏航系统甚至整个设备的性能。因此，研究偏航轴承的失效机理，提出合理化建议为改善轴承质量提供一定理论依据，对生产实践起到一定的指导意义[1-5]。

以内蒙古某风电场偏航轴承设备损坏问题、对偏航轴承的实效问题加以研究。针对失效设备做出一系列实验研究，逐一排查偏航轴承失效原因，为同类型设备提供参考。 根据偏航轴承检验评估工作方案，对5 台机组 （35103#、35110#、35111#、35311#、35306#）进行现场检验，表1 为五台机组轴承信息。

表1 五台机组偏航轴承详细信息

1 实验内容

1.1 理化性能试验

1.1.1 样品制样

3 套偏航轴承（35205#机位（SN：090313009）、35103#机位（SN：081227006）、35110# 机位（SN：090313008）各取2 份大样，一份邮寄国检中心进行制样、理化分析，另外一份在成都天马检测中心进行制样、理化分析。

制样过程中分别将偏航轴承SN：090313008 （机位35110#）外圈标记为W1、内圈标记为N1；偏航轴承 SN：081227006（机位 35103#）外圈标记为：W2、内圈标记为N2；偏航轴承SN：090313009（机位35205#）外圈标记为：W3、内圈标记为N3。

1.1.2 理化分析结果

根据各检测项目检验标准，成都天马铁路轴承有限公司检测中心金相分析报整理数据如下：

（1）失效轴承均存在一定的材质不良，表现在化学成分、淬硬层深度和基体硬度。

（2） 化学成分：Cr 元素在调制钢中主要作用提高淬透性，从而提高材料硬度和耐磨性，该元素含量偏低， 会造成淬硬层深度偏低；Mn 元素可以提高淬透性，提高材料强度和硬度。

图 1 （a）外圈试样标记；（b）外圈取样后标记；（c）内圈试样标记；（d）内圈取样后标记

（3）基体组织属于回火索氏体，基体硬度偏低材料容易产生变形。

2 实验检测

2.1 制样与检测标准

对三台偏航轴承（35110#、35306#、LY）的取样进行晶相、拉伸等性能检测试验。 “35110-内”代表编号为35110#的轴承内圈。

每台轴承的内外圈分别取5 个试样， 进行光谱、低倍组织、基体金相组织、夹杂物、淬硬层厚度、基体组织硬度和淬硬层厚度检测分析。 如图2 所示，每台轴承内外圈分别取直径φ10 mm 标准拉伸试样，进行常温单轴拉伸试验，检验依据如表1 所示。

图2 偏航轴承宏观照片

2.2 光谱检测

直读光谱仪对试样进行光谱检测，每个试样选取3 个点 （编号1-3） 。图3 为直读光谱检测点位置分布图。 测试结果如表2 所示（评判标准以使用方提供的数据为准），结果显示元素含量未见异常。

表2 项目标准

表3 理化分析总结

图3 试样的制取

图4 光谱检测

2.3 低倍组织检测

图4 为低倍实验样品，使用盐酸水溶液对试样进行热酸浸，评级结果如表3 所示，结果显示低倍组织未见异常。

图5 低倍试验样品

2.4 夹杂物检测

试样纵截面抛光，进行夹杂物级别评定，评级结果如表4 所示，均在标准误差允许范围内，夹杂物评价符合标准要求。

表4 光谱检测结果汇总表

2.5 调质组织检测

试样进行抛光，使用4%硝酸酒精腐蚀，通过金相显微镜观察组织并评级，金相照片及评级结果如图5所示，调质组织未见异常。

表5 低倍试验评级汇总表

2.6 淬硬组织检测

试样淬硬层抛光，使用4%硝酸酒精腐蚀，通过金相显微镜观察组织并评级，金相照片及评级结果如图6 所示，调质组织未见异常。

2.7 调质硬度检测

如图 7 所示， 每个试样选取 3 个位置 （编号1，2，3）进行布氏硬度检测，检测结果如表 4 所示，标准值为260-300 HB， 红色表示检测值低于标准下限值。

根据相关标准要求，使用维氏硬度计对试样淬硬层进行硬度测量，对比标准得知淬硬层硬度及深度未见异常。

3 润滑油脂检验

有机溶剂溶解少量润滑脂样品，取底部含颗粒沉淀物的溶液制作谱片。铁谱分析表明样品中有铁磁性磨粒、疲劳磨粒（毫米级）和铁系磨粒（＜850 μm）等。没有发现外界污染物、油脂干渴现象。 锥入度与新脂相比变化不大，在可接受范围。

KLUBER BEM 41-141 和FUCHS GLEITMO 585K性能比较，FUCHS GLEITMO 585K 产品水分含量较高，不符合要求（依据GB/T33540.1 产品标准），标准要求为不低于 250℃，实测结果：197℃。 KLUBER BEM 41-141产品油分离度很高，不符合要求（依据GB/T33540.1 产品标准），标准要求：2%～6%，实测结果：8.5%。 滚筒安定性差值较大（64），不符合要求[依据GB/T33540.1 产品标准（30～50）]。

表6 夹杂物评级汇总表

图6 调质组织照片及评级

图8 布氏硬度检测试样

表8 淬硬层硬度值及深度值汇总表

4 偏航轴承失效分析

偏航闸钳本体边缘与刹车盘上表面距离间隙、偏航减速器间隙、偏航轴承轴向跳动超标，其中 35103#机位偏航刹车闸钳本体与刹车盘干涉接触，导致机组无法偏航，是此次事件的起因。

（1）偏航闸钳与刹车盘干涉原因：偏航轴承滚道发生塑性变形，机舱随轴承内圈下沉（外圈未发生形变），闸钳随机舱下沉导致刹车盘间隙减小，形成干涉。

图7 淬硬层组织照片及评级

表7 调质硬度检测结果汇总表

（2）轴承滚道塑性变形原因：隔球器碎裂缺失，滚子不均匀分布在滚道内。载荷的作用下导致滚道塑性变形。

（3）隔球器碎裂缺失的原因：磨损的金属颗粒导致隔球器卡死，受到其他滚子的撞击，导致损伤碎裂。碎块混在油脂内经进一步磨损而消失。

（4）从拆解的轴承发现：滚道损伤程度依次是外圈滚道的下表面 （最严重）， 内圈滚道的上表面 （次之），内圈滚道下表面和外圈滚道上表面（轻微）。

外圈滚道的下表面出现硬化层剥落（凹凸不平的鳞状），具备疲劳剥落的形状特征。造成疲劳失效的原因可能是由于材质疲劳、热处理不当、偏载、冲击。

（5）润滑不良的原因。

a）密封圈失效；

b）润滑油管未平均分布，增大注油孔内部阻力；

c）偏航轴承缺少专门排油孔，废油无法排出；

d）目前加油控制策略不确定轴承内有足够的油脂。

5 结论

（1）偏航闸钳与刹车盘干涉的直接原因：偏航轴承滚道塑性变形，导致了机舱随偏航轴承内圈整体下沉。

（2）轴承材质不良（Mn、Cr 含量、淬硬层深度、基体硬度），是造成本次轴承失效的主要原因。

（3） 润滑不良是造成本次轴承失效的次要原因，润滑不良加速了轴承失效。