2017年3月7日，針對風(fēng)電機(jī)組軸承突出的故障“軸承跑圈”問題，中國風(fēng)能協(xié)會名譽(yù)主任賀德馨先生邀請了幾位目前已經(jīng)退休，與企業(yè)沒有直接利益關(guān)系的風(fēng)電行業(yè)的老技術(shù)專家，在中國船級社認(rèn)證公司召開風(fēng)電軸承“跑圈”故障研討會。出席此次研討會的資深專家還有：風(fēng)能協(xié)會資深委員姚小芹、華能新能源公司原副總工程師王斯永、杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司原總工程師宣安光、南京高速齒輪箱集團(tuán)公司原副總工程師郭寶霖、中國軸承工業(yè)協(xié)會顧問、原西北軸承公司總工程師何加群、河南科技大學(xué)教授葉軍等。在結(jié)合專家現(xiàn)場討論及后期資料整理的基礎(chǔ)上形成了該報(bào)告，現(xiàn)對外發(fā)布。
與會專家一致通過成立“風(fēng)電技術(shù)˙專家研討”平臺，該平臺是一個(gè)非盈利的風(fēng)電技術(shù)研討公共平臺，常設(shè)在中國船級社認(rèn)證公司，會議推選王斯永為“風(fēng)電技術(shù)˙專家研討”主任委員，姚小芹為副主任委員，秘書處設(shè)在中國船級社認(rèn)證公司，聯(lián)絡(luò)人為陳鴻雁。今后將定期召開技術(shù)研討會，聚焦風(fēng)電行業(yè)高發(fā)故障，并形成成果報(bào)告，供風(fēng)電行業(yè)內(nèi)各有關(guān)方面和政府決策機(jī)關(guān)參考。
一、軸承“跑圈”問題的現(xiàn)狀
所謂軸承“跑圈”，就是軸承的外圈與軸承座或者內(nèi)圈與軸產(chǎn)生了相對運(yùn)動。變速箱的行星齒輪發(fā)生跑圈，會對變速箱產(chǎn)生不可修復(fù)的損毀。
從2015年年初開始，運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組逐漸暴露出變速箱軸承“跑圈”的問題。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來我國裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的十萬多臺機(jī)組中，發(fā)生“軸承跑圈”故障占10%以上，不僅是軸承應(yīng)用較多的雙饋電機(jī)型機(jī)組，就是主傳動系統(tǒng)軸承較少的直驅(qū)機(jī)組也發(fā)生了類似的故障，其總數(shù)也超過了1000臺。根據(jù)一個(gè)電力設(shè)備研究機(jī)構(gòu)的人員最近抽測一批在運(yùn)機(jī)組的結(jié)果，振動頻譜顯示相當(dāng)高比例的機(jī)組存在跑圈的問題(按照他們的說法是幾乎百分之百)。國外廠商的部分機(jī)組也存在軸承跑圈問題。從發(fā)現(xiàn)的軸承“跑圈”的總體情況看，變速箱高速端比例較高，行星齒輪軸承“跑圈”的比例較低。但是在個(gè)別幾個(gè)廠家的產(chǎn)品中，行星齒輪軸承“跑圈”的比例比較高，出現(xiàn)批量故障。
軸承跑圈造成的損失會大大提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維成本，對未來保險(xiǎn)公司保費(fèi)費(fèi)率也可能產(chǎn)生影響。
目前，國內(nèi)多數(shù)發(fā)生軸承跑圈的整機(jī)廠家、開發(fā)商、保險(xiǎn)公司并不了解這個(gè)情況，故障都是由變速箱廠自己處理，并未如實(shí)告訴客戶變速箱損毀的原因。這種情況，導(dǎo)致這種高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的故障成為風(fēng)電運(yùn)行和保險(xiǎn)行業(yè)巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
對于變速箱高速端軸承“跑圈”故障的處理多數(shù)是在故障發(fā)現(xiàn)后，采用鑲套或使用聚合物粘結(jié)劑的方法解決。這兩種方法在地面設(shè)備上有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)，但是對于風(fēng)電機(jī)組變速箱高速端軸承，是否可以保證修復(fù)后長期使用，目前尚無成熟經(jīng)驗(yàn)。
對于行星齒輪軸承“跑圈”，目前國內(nèi)還沒有提前發(fā)現(xiàn)“跑圈”故障的成熟技術(shù)，而且由于機(jī)組形式和運(yùn)行環(huán)境的差異導(dǎo)致軸承“跑圈”的頻譜的差異，因此絕大多數(shù)行星齒輪軸承“跑圈”故障是在變速箱損毀后確認(rèn)的。
對于直驅(qū)機(jī)組主軸承跑圈，在軸承未發(fā)現(xiàn)明顯損傷的情況下，采取再調(diào)整軸承游隙的辦法處理;若軸承損傷，則更換主軸承。
二、軸承“跑圈”問題的分析
究其根本是由于軸承選型不當(dāng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和載荷設(shè)計(jì)不當(dāng)、制造過程中工藝控制不當(dāng)、軸承游隙調(diào)整不當(dāng)、軸承潤滑不當(dāng)、設(shè)備儲存或運(yùn)輸不當(dāng)?shù)仍颍沟幂S承滾子和軸承滾道發(fā)生比較嚴(yán)重的滑動半干摩擦，最終導(dǎo)致軸承“跑圈”。
1. 主軸軸承
(1)采用雙列調(diào)心滾子軸承的兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的主軸軸承，同時(shí)承受軸向及徑向的載荷，失效的概率較高。這是由于雙列調(diào)心滾子軸承的游隙較大，上風(fēng)向側(cè)的軸承承受載荷很小，大部分徑向載荷和軸向力由下風(fēng)向軸承承受，造成滾子過多的打滑，加上潤滑不良使材料發(fā)生從點(diǎn)蝕到粘附剝落，座圈和滾子以及保持架受力不均發(fā)生變形，改變了座圈與軸承座的配合，出現(xiàn)“跑圈”、卡死等常見故障。
(2)新的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主軸軸承已很少選用調(diào)心軸承，推薦選用圓錐滾子軸承，徑向和軸向承載能力強(qiáng)，可通過預(yù)緊使?jié)L子均勻受載，滾子不易產(chǎn)生滑動摩擦。但是，由于安裝工藝對裝配工人的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求比較高，軸承游隙調(diào)整不當(dāng)依然可以引發(fā)半干滾動摩擦，繼而出現(xiàn)跑圈故障。
(3)軸承裝配采用熱裝法。由于沒有足夠尺寸加熱裝置，而采用局部加熱法，加熱不均勻，造成軸承變形。
(4)運(yùn)輸過程中機(jī)組減震措施不當(dāng)，或軸承某一部分長時(shí)間承重，造成滾道局部變形。
(5)目前在運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組主軸軸承的潤滑方式主要有兩種：潤滑脂潤滑及壓力潤滑油潤滑，其中使用潤滑脂潤滑比例較高。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速一般在10-20轉(zhuǎn)/分，低轉(zhuǎn)速導(dǎo)致主軸軸承和行星架支撐軸承的油膜形成往往比較難。若油膜厚度不足以隔開兩個(gè)金屬表面，則潤滑沒有達(dá)到預(yù)定的效果，軸承就會發(fā)生早期磨損，產(chǎn)生材料剝落的損傷，發(fā)生半干滑動摩擦，繼而導(dǎo)致軸承跑圈。壓力潤滑方式對改善軸承的工作條件十分有利，除了及時(shí)形成油膜保護(hù)滾道滾子之外，還能帶走熱量和磨粒，延長使用壽命。推薦有條件的情況下，主軸軸承也使用壓力油潤滑。
2. 變速箱軸承
變速箱中高速軸側(cè)軸承發(fā)生跑圈的比例高于行星輪軸承。兩者發(fā)生的原因是不同的。
高速軸側(cè)軸承
(1)軸承與軸承座的配合公差選擇不合理，導(dǎo)致過盈量不足。由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的外部環(huán)境差別很大，選用標(biāo)準(zhǔn)公差帶很可能不能適應(yīng)運(yùn)行條件。
(2)裝配時(shí)工藝控制不嚴(yán)格，造成軸承與軸承座的極限上偏差與極限下偏差的配合。在裝配現(xiàn)場實(shí)際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)裝配工選擇過盈量小的軸承進(jìn)行配裝的現(xiàn)象。
行星輪軸承
(1)風(fēng)電機(jī)組變速箱實(shí)際使用時(shí)的最大功率可能達(dá)到名義功率的3倍以上，特別是增長葉片情況下，風(fēng)輪慣性矩大大增加，在機(jī)組啟動和停機(jī)過程中對傳動系造成的沖擊載荷也極大增加。國內(nèi)機(jī)組在原型機(jī)基礎(chǔ)上增長葉片后，并未對變速箱進(jìn)行相應(yīng)的再設(shè)計(jì)，造成剛度相對較差的變速箱行星軸系和中間軸系出現(xiàn)偏載的情況，偏載則加劇軸承應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)軸承跑圈。
(2)行星輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)薄弱。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19073 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱中規(guī)定：行星齒輪輪轂厚度應(yīng)不小于3倍模數(shù)，是為了保證齒輪座圈具有足夠的剛度抵抗齒輪受力產(chǎn)生的變形。而行星齒輪的變形是軸承跑圈的重要原因之一。國內(nèi)變速箱廠批量的行星齒輪軸承跑圈故障發(fā)生，恰恰是設(shè)計(jì)沒有滿足標(biāo)準(zhǔn)提出的齒輪輪轂厚度要求。
針對行星軸系偏載國外采用了浮動行星變速機(jī)構(gòu)，以達(dá)到均載的目的。但是此類結(jié)構(gòu)在變速箱裝配和調(diào)整時(shí)比較復(fù)雜。
針對風(fēng)電機(jī)組空間限制導(dǎo)致行星齒輪結(jié)構(gòu)尺寸難以滿足剛性要求的現(xiàn)狀，國外提出行星齒輪與軸承外圈一體化的解決方案和鐵姆肯類似的集成式柔性銷方案(見圖1)。國內(nèi)杭齒和南高齒分別采用一體化結(jié)構(gòu)和集成柔性銷結(jié)構(gòu)試制了幾臺變速箱。由于行星齒輪要根據(jù)加工工序分別在變速箱廠和軸承廠完成機(jī)械加工、熱處理和產(chǎn)品檢測，變速箱的成本大幅度提高。國內(nèi)風(fēng)電整機(jī)企業(yè)在目前的市場價(jià)格下，難以接受。而國外整機(jī)企業(yè)已經(jīng)批量采用此類結(jié)構(gòu)的變速箱。
圖1 鐵姆肯集成式柔性銷組件
三、幾點(diǎn)建議
根據(jù)目前的現(xiàn)實(shí)情況提出幾點(diǎn)建議：
1. 從目前各方面反映的情況看，對于已經(jīng)投產(chǎn)在運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組如何在破壞性事故發(fā)生前及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承跑圈的先兆是當(dāng)務(wù)之急。這樣可以把事故消除在萌芽之中。但是，由于風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)不同，運(yùn)行環(huán)境不同，軸承位置不同，技術(shù)上尚未掌握各類軸承跑圈的振動特征譜。目前可以做的就是搜集已經(jīng)發(fā)生事故的風(fēng)電機(jī)組的振動監(jiān)測記錄，組織專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行分析，盡快從中找出規(guī)律性的東西，然后在運(yùn)行風(fēng)電場進(jìn)行驗(yàn)證、推廣。目前已經(jīng)有若干制造企業(yè)、開發(fā)運(yùn)行企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)表示愿意參與，并提供驗(yàn)證條件。
2. 本報(bào)告前面的分析僅僅在以往的理論、經(jīng)驗(yàn)和可以得到的案例基礎(chǔ)上進(jìn)行的。對于當(dāng)前大量發(fā)生的事故尚未全面掌握。為了進(jìn)行事故分析，各變速箱制造廠不應(yīng)再以保守所謂“商業(yè)秘密”為借口，而拒絕公開事故。這樣做的結(jié)果只能對我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)造成更深的傷害。只有行業(yè)內(nèi)全面地掌握事故真實(shí)情況，針對可能的原因深入分析，才能找出缺陷根源并采取行之有效的措施加以解決。同時(shí)，為掌握事故監(jiān)測預(yù)警技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。建議各涉及類似事故的企業(yè)應(yīng)如實(shí)向整機(jī)企業(yè)、開發(fā)運(yùn)行企業(yè)以及研究機(jī)構(gòu)如實(shí)提供事故情況。
3. 軸承裝配時(shí)應(yīng)配備足夠的工裝器具，防止組裝中的隱形損壞。過盈配合的裝配最好用封閉的加熱裝置對軸承整體均勻加熱，加熱溫度不宜過高，在升溫過程中處于正游隙狀態(tài)，不會擠壓滾子而發(fā)生變形。在有條件的情況下，建議采用冷凍軸的方式裝配軸承。對軸承的潤滑要高度重視，除了保證充分潤滑以外，還要采取足夠措施確保油液的清潔度。
4. 在軸承及其配合的選用上，主機(jī)和部件以及軸承供應(yīng)單位之間應(yīng)密切協(xié)作，及時(shí)交流和反饋，合理選擇軸承及配合。裝置軸承的軸和孔應(yīng)按照軸承圈直徑公差選擇合理的公差帶，注意適當(dāng)收緊公差范圍以確保配合的過盈量。
5. 加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)工人的培養(yǎng)和訓(xùn)練，以確保軸承的裝配和游隙調(diào)整符合技術(shù)要求。
6. 裝配過程中，軸系應(yīng)反復(fù)對中，減輕額外載荷的影響。
7. 強(qiáng)化變速箱加工、裝配現(xiàn)場的工藝規(guī)程、工藝衛(wèi)生管理，確保變速箱加工、裝配過程在嚴(yán)格的工藝條件下進(jìn)行。
8. 編制風(fēng)電機(jī)組與主軸的運(yùn)輸和保管相關(guān)的技術(shù)指南，防止在運(yùn)輸及非運(yùn)行階段，主軸軸承下端滾道和滾子由于承受主軸巨大重力引起變形情況的發(fā)生。
9. 增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組機(jī)架的剛性，防止變形引起各軸承的非正常偏載。
10. 加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組日常維護(hù)保養(yǎng)，嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)范，對機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的啟動、制動、停轉(zhuǎn)、停用等不同過程產(chǎn)生的影響要有足夠的應(yīng)對措施。
11. 風(fēng)電機(jī)組應(yīng)配備相關(guān)的檢測裝置，對傳動系統(tǒng)的振動、溫度狀態(tài)實(shí)施瞬時(shí)監(jiān)控，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確查找原因，提前發(fā)布預(yù)警，避免因故障停機(jī)。
12. 強(qiáng)化風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)研究，以可靠性分析為基礎(chǔ)，針對機(jī)組所處的惡劣工況，系統(tǒng)分析傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部位所受的異常瞬間負(fù)荷的影響，編制更為符合實(shí)際工況的載荷譜，充分保證系統(tǒng)及零部件的安全裕度。改進(jìn)傳動系統(tǒng)的布局和結(jié)構(gòu)，降低瞬間異常沖擊載荷的影響。
13. 在積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上合理選擇機(jī)組傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，盡可能采用成熟的經(jīng)過論證的傳動形式，對新的傳動形式和結(jié)構(gòu)布置，未經(jīng)論證不要輕易采用。
14. 原有的軸承壽命計(jì)算理論已難以滿足現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)齒輪箱軸承計(jì)算的要求，國際著名軸承公司提出的新的軸承壽命計(jì)算方法的相關(guān)資料制造商一般較少公開。目前，軸承壽命的計(jì)算一般根據(jù)各軸承廠商提出的壽命計(jì)算方法進(jìn)行估算。軸承壽命的計(jì)算方法繁多，影響因素復(fù)雜，載荷數(shù)據(jù)匱乏、復(fù)雜載荷處理方法不完善，對機(jī)組在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的瞬間載荷、制動載荷、極限載荷等的處理完全憑經(jīng)驗(yàn)估算。此外，在變載荷處理過程中運(yùn)用的線性積累損傷理論也并不能真實(shí)反映實(shí)際破壞情況，這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用的差距增大。為此，建議結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際需要加強(qiáng)國內(nèi)軸承壽命理論的研究。
15. 建議盡早加強(qiáng)滿足風(fēng)電高載荷容量、高可靠度、長壽命這一特殊領(lǐng)域的軸承設(shè)計(jì)、材料、工藝、檢驗(yàn)技術(shù)的研究。軸承行業(yè)與風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)、風(fēng)電傳動裝置制造企業(yè)聯(lián)合開展研究工作，為風(fēng)電軸承的設(shè)計(jì)、制造積累經(jīng)驗(yàn)，爭取盡早取得突破。
原標(biāo)題:“風(fēng)電技術(shù)·專家研討”第一期成果發(fā)布——關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承“跑圈”問題的分析與建議報(bào)告
