風能專委會：風電機組軸承“跑圈”問題的分析及建議

　　2017年3月7日，針對風電機組軸承突出的故障“軸承跑圈”問題，中國風能協(xié)會名譽主任賀德馨先生邀請了幾位目前已經(jīng)退休，與企業(yè)沒有直接利益關系的風電行業(yè)的老技術專家，在中國船級社認證公司召開風電軸承“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、杭州前進齒輪箱集團股份有限公司原總工程師宣安光、南京高速齒輪箱集團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、河南科技大學教授葉軍等。在結合專家現(xiàn)場討論及后期資料整理的基礎上形成了該報告，現(xiàn)對外發(fā)布。

　　與會專家一致通過成立“風電技術˙專家研討”平臺，該平臺是一個非盈利的風電技術研討公共平臺，常設在中國船級社認證公司，會議推選王斯永為“風電技術˙專家研討”主任委員，姚小芹為副主任委員，秘書處設在中國船級社認證公司，聯(lián)絡人為陳鴻雁。今后將定期召開技術研討會，聚焦風電行業(yè)高發(fā)故障，并形成成果報告，供風電行業(yè)內(nèi)各有關方面和政府決策機關參考。

　　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)生不可修復的損毀。

　　從2015年年初開始，運行的風電機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，近年來我國裝機運轉的十萬多臺機組中，發(fā)生“軸承跑圈”故障占10%以上，不僅是軸承應用較多的雙饋電機型機組，就是主傳動系統(tǒng)軸承較少的直驅(qū)機組也發(fā)生了類似的故障，其總數(shù)也超過了1000臺。根據(jù)一個電力設備研究機構的人員最近抽測一批在運機組的結果，振動頻譜顯示相當高比例的機組存在跑圈的問題（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。但是在個別幾個廠家的產(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電機組的運維成本，對未來保險公司保費費率也可能產(chǎn)生影響。

　　目前，國內(nèi)多數(shù)發(fā)生軸承跑圈的整機廠家、開發(fā)商、保險公司并不了解這個情況，故障都是由變速箱廠自己處理，并未如實告訴客戶變速箱損毀的原因。這種情況，導致這種高風險、高成本的故障成為風電運行和保險行業(yè)巨大的潛在風險。

　　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劑的方法解決。這兩種方法在地面設備上有比較成熟的經(jīng)驗，但是對于風電機組變速箱高速端軸承，是否可以保證修復后長期使用，目前尚無成熟經(jīng)驗。

　　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，而且由于機組形式和運行環(huán)境的差異導致軸承“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的。

　　對于直驅(qū)機組主軸承跑圈，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、結構設計和載荷設計不當、制造過程中工藝控制不當、軸承游隙調(diào)整不當、軸承潤滑不當、設備儲存或運輸不當?shù)仍颍沟幂S承滾子和軸承滾道發(fā)生比較嚴重的滑動半干摩擦，最終導致軸承“跑圈”。

　　1. 主軸軸承

　?。?）采用雙列調(diào)心滾子軸承的兆瓦級風電機組的主軸軸承，同時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，上風向側的軸承承受載荷很小，大部分徑向載荷和軸向力由下風向軸承承受，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。

　?。?）新的傳動系統(tǒng)設計時，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，可通過預緊使?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)驗和技術要求比較高，軸承游隙調(diào)整不當依然可以引發(fā)半干滾動摩擦，繼而出現(xiàn)跑圈故障。

　?。?）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）運輸過程中機組減震措施不當，或軸承某一部分長時間承重，造成滾道局部變形。

　　（5）目前在運的風電機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。風輪的轉速一般在10-20轉/分，低轉速導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金屬表面，則潤滑沒有達到預定的效果，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，除了及時形成油膜保護滾道滾子之外，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。

　　高速軸側軸承

　?。?）軸承與軸承座的配合公差選擇不合理，導致過盈量不足。由于風電機組運行的外部環(huán)境差別很大，選用標準公差帶很可能不能適應運行條件。

　　（2）裝配時工藝控制不嚴格，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)場實際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)裝配工選擇過盈量小的軸承進行配裝的現(xiàn)象。

　　行星輪軸承

　?。?）風電機組變速箱實際使用時的最大功率可能達到名義功率的3倍以上，特別是增長葉片情況下，風輪慣性矩大大增加，在機組啟動和停機過程中對傳動系造成的沖擊載荷也極大增加。國內(nèi)機組在原型機基礎上增長葉片后，并未對變速箱進行相應的再設計，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，偏載則加劇軸承應力集中現(xiàn)象的發(fā)生，進而引發(fā)軸承跑圈。

　?。?）行星輪系結構設計薄弱。國家標準GB/T19073 風力發(fā)電機組齒輪箱中規(guī)定：行星齒輪輪轂厚度應不小于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，恰恰是設計沒有滿足標準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構，以達到均載的目的。但是此類結構在變速箱裝配和調(diào)整時比較復雜。

　　針對風電機組空間限制導致行星齒輪結構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構和集成柔性銷結構試制了幾臺變速箱。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)風電整機企業(yè)在目前的市場價格下，難以接受。而國外整機企業(yè)已經(jīng)批量采用此類結構的變速箱。

圖1 鐵姆肯集成式柔性銷組件

　　三、幾點建議

　　根據(jù)目前的現(xiàn)實情況提出幾點建議：

　　1. 從目前各方面反映的情況看，對于已經(jīng)投產(chǎn)在運的風電機組如何在破壞性事故發(fā)生前及時發(fā)現(xiàn)軸承跑圈的先兆是當務之急。這樣可以把事故消除在萌芽之中。但是，由于風電機組的結構不同，運行環(huán)境不同，軸承位置不同，技術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)生事故的風電機組的振動監(jiān)測記錄，組織專業(yè)隊伍進行分析，盡快從中找出規(guī)律性的東西，然后在運行風電場進行驗證、推廣。目前已經(jīng)有若干制造企業(yè)、開發(fā)運行企業(yè)和研究機構表示愿意參與，并提供驗證條件。

　　2. 本報告前面的分析僅僅在以往的理論、經(jīng)驗和可以得到的案例基礎上進行的。對于當前大量發(fā)生的事故尚未全面掌握。為了進行事故分析，各變速箱制造廠不應再以保守所謂“商業(yè)秘密”為借口，而拒絕公開事故。這樣做的結果只能對我國風電產(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，為掌握事故監(jiān)測預警技術提供基礎數(shù)據(jù)。建議各涉及類似事故的企業(yè)應如實向整機企業(yè)、開發(fā)運行企業(yè)以及研究機構如實提供事故情況。

　　3. 軸承裝配時應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，主機和部件以及軸承供應單位之間應密切協(xié)作，及時交流和反饋，合理選擇軸承及配合。裝置軸承的軸和孔應按照軸承圈直徑公差選擇合理的公差帶，注意適當收緊公差范圍以確保配合的過盈量。

　　5. 加強專業(yè)技術工人的培養(yǎng)和訓練，以確保軸承的裝配和游隙調(diào)整符合技術要求。

　　6. 裝配過程中，軸系應反復對中，減輕額外載荷的影響。

　　7. 強化變速箱加工、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、裝配過程在嚴格的工藝條件下進行。

　　8. 編制風電機組與主軸的運輸和保管相關的技術指南，防止在運輸及非運行階段，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. 增強風電機組機架的剛性，防止變形引起各軸承的非正常偏載。

　　10. 加強風電機組日常維護保養(yǎng)，嚴格遵守安全操作規(guī)范，對機組運轉的啟動、制動、停轉、停用等不同過程產(chǎn)生的影響要有足夠的應對措施。

　　11. 風電機組應配備相關的檢測裝置，對傳動系統(tǒng)的振動、溫度狀態(tài)實施瞬時監(jiān)控，對測量數(shù)據(jù)進行分析，準確查找原因，提前發(fā)布預警，避免因故障停機。

　　12. 強化風電機組設計研究，以可靠性分析為基礎，針對機組所處的惡劣工況，系統(tǒng)分析傳動系統(tǒng)關鍵部位所受的異常瞬間負荷的影響，編制更為符合實際工況的載荷譜，充分保證系統(tǒng)及零部件的安全裕度。改進傳動系統(tǒng)的布局和結構，降低瞬間異常沖擊載荷的影響。

　　13. 在積累經(jīng)驗的基礎上合理選擇機組傳動系統(tǒng)的結構形式，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構布置，未經(jīng)論證不要輕易采用。

　　14. 原有的軸承壽命計算理論已難以滿足現(xiàn)代風力機齒輪箱軸承計算的要求，國際著名軸承公司提出的新的軸承壽命計算方法的相關資料制造商一般較少公開。目前，軸承壽命的計算一般根據(jù)各軸承廠商提出的壽命計算方法進行估算。軸承壽命的計算方法繁多，影響因素復雜，載荷數(shù)據(jù)匱乏、復雜載荷處理方法不完善，對機組在使用過程中經(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)驗估算。此外，在變載荷處理過程中運用的線性積累損傷理論也并不能真實反映實際破壞情況，這將導致設計計算與實際應用的差距增大。為此，建議結合風電機組的實際需要加強國內(nèi)軸承壽命理論的研究。

　　15. 建議盡早加強滿足風電高載荷容量、高可靠度、長壽命這一特殊領域的軸承設計、材料、工藝、檢驗技術的研究。軸承行業(yè)與風電機組制造企業(yè)、風電傳動裝置制造企業(yè)聯(lián)合開展研究工作，為風電軸承的設計、制造積累經(jīng)驗，爭取盡早取得突破。