胡憲富　劉永誌　高曉徽　李（lǐ）飛　劉冰
（大唐錫林郭勒風力發電有限責（zé）任公司）

　　【概　述】本文以輝騰梁風場雙列調心滾子軸承為例，對（duì）風力發電機組主軸軸承失（shī）效原因進行分析。風電機組（zǔ）主軸軸承結構及受力複雜，設計和產品選型（xíng）直接影響著風電機組的安全運行。

　　【關鍵字】風力（lì）發電（diàn）機組、雙列調心、主軸軸承、失效

　　一、背景
　　中國成為風電大國，但並不表示中國是真正的風電強國，風（fēng）力發電技術仍相對（duì）落後。在風電行（háng）業迅（xùn）猛發展的同時，風（fēng）電事故也層出不（bú）窮，在調試和運行中陸續出現了一係列嚴峻問題，風機的並網問題以及故障維修與（yǔ）診斷問題尤為突出，造成了很嚴重的經濟（jì）損失。在《GL風機認證規範》中明確規定了風電機（jī）組20年使用壽命要求，因此對組成風電機組的每個零部件也同樣需求有20年的壽命。對風機（jī）重要零部件設計包括輪轂、葉（yè）片、主軸係統、主（zhǔ）機架、變（biàn）槳係（xì）統、塔筒、偏航係統、製動係（xì）統、發電機等部件的設計生產便顯得尤其重要。
　　目前國內外風電機組主要研發水平軸式風機與垂直軸式風機這兩（liǎng）種主流形式，而國內主要采用水平軸式（shì）風（fēng）力發（fā）電機。風電機組常年在野外工作，工作條件惡劣（liè）、溫度和濕度變化較大、受載情況複雜，因而要求風電軸承具有良好的耐衝擊性、密封（fēng）和潤滑性、長壽命和高可靠性。風（fēng）電軸承是風電機組的重（chóng）要支承部件，對整個機組（zǔ）的壽命、性能和可靠性起著非常重要的作用。風力發電機組軸承主要由（yóu）傳動係統軸承、偏航係統軸承（chéng）和變槳距係統軸承組成，其中傳動係統軸承包括主軸（zhóu）軸承（chéng）、發電機軸承和變速箱軸承（chéng）。
　　風電機（jī）組專用軸承作為風力發電機組中的重（chóng）要（yào）組成部分，主軸軸承作用（yòng）不（bú）可小覷。影（yǐng）響主軸軸承（chéng）使用壽命的因（yīn）素除精度、密封外（wài），軸承（chéng）內外圈點蝕（shí）、磨損也是其主要失效形式。軸承在（zài）機械中既是運動連接件，又是載荷支撐件，將相互轉動的不動體（tǐ）與活動體之間的滑動摩擦變（biàn）為滾動摩擦，摩（mó）擦損失（shī）小，是一種精密的機械（xiè）元件（jiàn）。

　　二、風（fēng）力發電機組主軸係統結構
　　1、“一點支撐”主軸係統結構

 

“一點支撐”主軸（zhóu）安裝位置示意圖

　　此種（zhǒng）設計方式的優點是：由於（yú）固定端軸承和浮動端軸承使（shǐ）用同一個箱體，它們的（de）同軸度更容易得到保證。因此在這種情況下，可以使用一個雙（shuāng）列圓錐滾子軸承作為主軸（zhóu）承，同時齒（chǐ）輪油也可以用來潤滑主軸（zhóu）軸承。但是在任何情況下，都必須（xū）保持軸（zhóu）承座與機體間可靠的連接（jiē）。

　　2、“兩點支撐”主軸係（xì）統結構

“兩點支撐”主軸（zhóu）安裝位置示意圖（tú）

　　此種設計方式齒輪箱輸（shū）入軸作為浮動端軸承，軸的（de）偏移量是選擇軸（zhóu）承類型的決定因素。調（diào）心滾子軸承具有兩列滾子，該軸承能承受（shòu）較大的徑向負荷力，亦能承受重大荷（hé）重及衝擊負荷。而且因為具有自動調心性能，在某種程度上能承受（shòu）兩個（gè）方向的軸向負荷。調心（xīn）滾子軸承外（wài）圈滾道是球麵形，故其調心性能良好，能補償同軸度誤差。調（diào）心滾子軸承的鼓形滾子安裝在有二條（tiáo）滾道的內圈和（hé）球麵外圈滾道之間。外圈滾（gǔn）道麵的曲率中心與軸承中心一致，所以具（jù）有（yǒu）與自動調心球（qiú）軸承同（tóng）樣的調心功能。在軸出現撓曲時可以自動調整，不增加軸承負擔。另外更為重要的（de）一點是，在安裝時要確保固定端軸承（chéng）位置和浮動端軸承位置之間的正確距離。
　　“兩點支撐”主軸係統的結構簡圖如下所示：

　　3、“三點支撐”主軸係統結（jié）構（gòu）

“三點支撐”主軸安裝位置示意圖

　　此種設計方式（shì）軸承被安（ān）裝在兩個獨立的（de）軸承座內，齒輪箱側軸承可以設計成為（wéi）固（gù）定端軸承。“三點支撐”方式（shì）的優點在於使用預緊的圓錐（zhuī）滾子軸承（chéng）可以提高（gāo）主軸的剛度，減少（shǎo）齒輪箱輸入零部（bù）件和（hé）軸承滾（gǔn）道（dào）發生假（jiǎ）性壓痕的可能性，通過預緊並優的內部遊（yóu）隙可以確保（bǎo）在極端風力情況下係統具有較好的穩定性，優化後的滾道形狀可以保證主軸係（xì）統大偏心情況下（xià）係統的正常（cháng）工作。
　　“三點支撐”主軸（zhóu）係統的結構簡圖（tú）如下所示：

　　三、雙列調心滾（gǔn）子軸承
　　由於雙列調心滾子軸承具有自動調心性能，能承受兩個方向的軸向負荷。因此該軸承適用於軸可能撓曲或裝配誤差難以避免的大型機械設備。由於風電機組在運行過程（chéng）中，主軸軸承既要承受來自槳葉、輪轂、主軸的徑向載荷，同（tóng）時也要承（chéng）受風力帶（dài）來的軸向載荷。故輝騰（téng）梁風電（diàn）場東（dōng）汽（qì）風機所采用（yòng）的（de）主軸軸承為雙（shuāng）列調心滾（gǔn）子軸承，為了分析主軸軸承的失效原因，現將（jiāng）雙列調心滾子軸承的內部構造進行（háng）簡單介紹。
　　1、雙列調（diào）心滾子軸承實物圖

　　2、內部主要部件
　　保持架（jià）：使滾動體等距離分布（bù），並減少（shǎo）滾動體間的摩擦和磨損。
　　滾動體：滾動體使相對運動表麵間的摩擦變為滾動摩擦（cā）。滾（gǔn）動體的運動規律比較複雜，除繞自身軸線自轉外還沿套圈滾（gǔn）道，繞軸承的軸線公轉，並在滾動的同時，伴隨有一定的滑動。
　　3、調心滾子軸承
　　由於主（zhǔ）軸軸承（chéng）在（zài）受力情況複雜和軸變形的（de）影響下，要（yào）求主軸軸承必須具有良好的調心性能。所以，目前大多數的（de）主軸軸承主要采用CA型的調心滾子軸承，也（yě）有采（cǎi）用大錐角雙列圓錐滾子軸（zhóu）承的。因為風機（jī）安裝位置與地麵間存在一定角度（dù）的傾斜，所以主軸軸承很容易發生（shēng）鎖死現象，容易使得主軸軸承發生早期失（shī）效，因此目前國外的公司，風機主軸軸承已經開始使用圓（yuán）錐滾子軸承。
　　調心滾子軸承外圈是一（yī）條共用的球麵滾道，裝著鼓形滾子。內圈有兩條與軸承（chéng）軸線傾斜一定（dìng）角度的滾道，當軸受力產生彎曲時或者由於傾斜而使內外圈中心線產生相對傾斜角度不大（dà）於0.5°—2°時，軸承仍然能夠正常工作（zuò），具（jù）有良好的調心性能。滾子采用鼓形（xíng），這樣在受載後接觸是非（fēi）封閉的橢圓（yuán）或者是近似的矩形（xíng），消除或者降（jiàng）低了邊緣應力集中，同時也具有較好（hǎo）的抗衝擊（jī）能力、抗震動（dòng）能力（lì），並且可以補償因為（wéi）安裝與軸的變形所引起（qǐ）的同心度誤差。

　　四、分析過程
　　風電機組（zǔ）中主軸承受的載荷（hé）來源主要有（yǒu）風機葉片及輪轂的重力載荷、主軸的自重載（zǎi）荷、主軸軸承的支撐力和推（tuī）止力、風通過葉片以及輪轂作用（yòng）在主軸上的慣性載荷及氣動載荷等，因此主軸需要承受徑向力和風力產生的軸向力。除此之外，由於風機工作環境的特殊性，隨著風速的（de）驟變，還會產生軸向衝擊。風機主軸軸承內圈（quān）通過過盈配合與風機主軸安裝在一起，軸承外圈固定在機架的專用支座上，所承（chéng）受的軸向力由主軸的軸肩施加在軸承內圈的端麵（miàn）上。
　　支撐主（zhǔ）軸的關鍵部（bù）件就是滾動（dòng）軸（zhóu）承。處於變化載（zǎi）荷的情（qíng）況下，風電機組主軸的軸向偏移，可能導致（zhì）滾動軸承滾子發生摩（mó）損發生失（shī）效。滾動軸承故障類型通常包括軸承內圈、外圈或滾動體點蝕以及疲勞剝落等（děng）問題。滾動軸承（chéng）故障會導致軸承的運行狀況惡劣、增大摩擦阻力、提升設備的溫度、出（chū）現振動信號異常（cháng）等，並造成旋轉精度降低。
　　以輝（huī）騰梁風場主（zhǔ）軸軸（zhóu）承失效原因進（jìn）行（háng）分析，風機在（zài）運行過程中由於（yú）風機安裝位置與地麵間存在5°的傾角和受風力的影（yǐng）響，整個主軸會受到較大（dà）的徑向（xiàng）力與軸向力，當風機運行時由於受到風力產生的軸向力及風驟變造（zào）成（chéng）的衝（chōng）擊使葉輪側滾珠一直（zhí）緊靠保持架運行，導致保持架（jià）及（jí）葉輪側軸承內圈磨損。同時齒輪箱側滾柱由（yóu）於（yú）受到軸向力影響滾柱沿軸承外圈壓倒角（jiǎo）運（yùn）行，長時間運行磨損軸承外圈邊緣（yuán），當（dāng）出現驟風時軸承外（wài）圈倒（dǎo）角受到衝擊出現剝落現象，剝落產生的（de）鐵屑（xiè）在不斷的運行過程中伴隨油脂聚集（jí）在排油口附近。在徑向載荷的作用下，鐵屑（xiè）在滾柱與軸承外圈之間產生較大的摩擦力，導致滾柱（zhù）及軸承外圈磨損嚴重。由於潤滑油內存在鐵屑，不僅失去潤滑效果，而且長時間運行導致軸承內（nèi）部（bù）各處均受到不同程度（dù）的損傷。

　　五（wǔ）、總結
　　主軸軸承的維護是風電機組維護中的重要環節（jiē），主軸軸承健康狀況直接影（yǐng）響到風機的安全運行，除對主軸軸承（chéng）進行日常維（wéi）護（hù）外，還需要進行定期（qī）的（de）檢修和巡查（chá），對軸承的振動情況（kuàng）和潤滑情況進行在（zài）線監測，及時對異常（cháng）數據進（jìn）行分（fèn）析，同時還要掌握主軸軸承的檢（jiǎn）查（chá）方法。
　　在日常運維中，常采用聽、摸、看（kàn）的檢查方法，同時要了解軸承在生產、運轉過程中的原理和保養維護常識（shí）。在日常巡檢工作中，要（yào）做到（dào）以下幾點：
　　1、聽，利用聽針等工具，對設備運轉中的（de）卡（kǎ）澀現象、有無雜音、運轉是否平穩等進行檢測；
　　2、摸，可用測溫儀測溫度（dù），也可用手摸軸承的外殼溫（wēn）度，是（shì）否在可控（kòng）量（liàng）程技（jì）術規範數值要求內；
　　3、看，潤滑油溫的高度（dù）、油色及粘度，檢查加油記（jì）錄時間，油品，油脂添加的量及每台（tái）設備軸承用油的型號規格是否正確；
　　4、此外，還要對軸承（chéng）鏈接（jiē）麵進行清理，保證幹淨沒有雜物，軸承支座需要加固緊固，不能出現前後錯位。
　　通過對軸承內部結構的了解及導致失效的原因，將這兩（liǎng）者（zhě）與到我們（men）日常（cháng）檢查方法相結（jié）合，讓我們可（kě）以根據現場主軸的運行（háng）情況精確的判斷主軸（zhóu）軸承的損傷情況，並在發現異常後，通過加強潤滑、調整力矩等方法及時改（gǎi）善主軸軸承運行（háng）狀況（kuàng），延長其使用壽命，提升風機的健康運行水平。