近年（nián）來國內外的風力發電機組滾動軸承失效的案例（lì）不（bú）斷出現，2016年歐洲某知名風力（lì）發電機製造廠就因其多台直驅機組的主軸滾動軸承失效賠付業主6.2億歐元。據（jù）筆者近（jìn）兩年來的（de）統計，國內多（duō）家風力發電（diàn）機組製造廠就（jiù）有一千多台直驅機組的主軸（zhóu）滾（gǔn）動軸承失效;雙饋機組也有幾千台的各種滾動軸承或輪（lún）齒（chǐ）失效。前不久調查到福建浦田某風電場的（de）20台國外某知名品牌（pái）的風力機在2015到（dào）2016年就（jiù）更換了6台增速（sù）齒輪箱，其餘（yú）的在2017年進（jìn）行了更換。不久前瓜州某60萬千瓦風電場也更換了17台風電機組的增速齒輪箱。2017年上半年筆者去張家口幾個風電場調研，路過河北豐寧，調查到豐寧某（mǒu）風電場的風力機上的增速齒輪（lún）箱（xiāng）均出了故障。以上問題在當年大規模引進風（fēng）力（lì）機技術時就已引進來了，隻是（shì）我們沒有全部消化（huà）和識別。
回顧12年前《行星齒輪傳動失效研討》一文，介（jiè）紹（shào）過德國某風電齒輪箱製造廠從2001年到2004年其供應全世界風電（diàn）增速齒輪箱之中有4500多台出了故障，造（zào）成（chéng）當時歐洲九個風力（lì）發電機組製造廠破產，也連累到在中國的幾百台風力發電機組(後來是國內C齒輪箱製（zhì）造廠對該批增（zēng）速齒輪箱（xiāng）作了更換)。按當時歐洲某知名保險公司的統計，在那4500多台故障的風電齒輪箱中表（biǎo）現在軸承上的占30%（約1350台）、表現在輪齒上的（de）占39%（約1755台）、表現在風電（diàn）齒輪箱軸、泵、聯軸器、箱體、密封件等其它方麵的占31%。自那以後世（shì）界各風電齒（chǐ）輪箱製（zhì）造廠和軸承製造（zào）廠都從優化齒輪（lún）箱或軸承結構設（shè）計、製造工藝、製造精度、製造材料、表麵處理、潤滑方式（shì）、潤滑（huá）材料、優化滾動軸承軸（zhóu）向載荷、優（yōu）化滾動軸承徑向間（jiān）隙、優化滾子接觸角、優化滾子的波紋度、優化滾動（dòng）軸承滾（gǔn）子修形、優化齒輪齒修形、優化行星傳動結構、優化均載係數、安裝工藝、試驗驗證等方麵都做了大量的改進（jìn）。
那些通（tōng）常適用於恒速運行（háng）的（de）船用齒輪箱或其他工業（yè）用（yòng）齒輪箱行之有效的措施，用在風力機或風電齒（chǐ）輪箱上卻隻能治（zhì）標、不能治本。都未能達到預想的效果，隻要風力機運行到（dào）一定時段（duàn），風力（lì）機的主滾動軸承、風電（diàn）齒輪箱的（de）滾動（dòng）軸承和輪齒照樣出現故障，而故障頻率和故障麵是不（bú）斷（duàn）地加劇。這引（yǐn）發我們的深（shēn）思!隻（zhī）有找到導致出現這些故障的真正原因才能根治或減少這些故障的出現。
首先筆者認為：其根源（yuán）在（zài）於風力機所接受的能量——風（fēng），具有的隨機性、波動性以及間歇性。
風力機傳動（dòng）軸（zhóu）係-主軸—滾動軸承-齒輪-發電機轉子係統就是工作在風的隨機性、風的波動性以及風的間歇性的（de）工況頻（pín）繁突變的典型代（dài）表。因此該係統在運行時（shí），要頻繁經曆啟動、停機、工況（kuàng）變化、轉速變化和負荷變化等瞬態過程。
主傳動鏈故障首要原因（yīn）——低（dī）頻扭轉振動
筆者曾憑多年從事扭轉振動的（de）預防、測試（shì）等研究經驗（yàn）的積累，從理論上認為造成風力機主傳動鏈（liàn）部件各種故障的個原因是：低頻扭轉振動（dòng）。例如（rú）造（zào）成滾動軸承跑（pǎo）圈或輪齒（chǐ）損壞的重要原因之一就是風力機設計階段沒有意識到風力機主傳動鏈存在低頻扭（niǔ）轉振動。
風力發電機組是以風為能源的（de）動力機械，不單是（shì）有沒有低頻扭轉振動的問題，而在於“低頻扭轉振動嚴（yán）重不嚴重”的（de）問題。可（kě）惜，這一概念到今天為止所引進的國外技術資（zī）料（liào）都未曾提到，在風能界也還不習慣。
在（zài）國外某風力機製造公司於2011年（nián）也（yě）發現此問題，並和另一家公司以及國外某知名大學共同研究風（fēng）力發電機組主傳動軸係低頻扭轉振（zhèn）動。他們於（yú）2012年得出理論結（jié）論，2013—2014年以（yǐ）其樣機作試驗、驗證，從2015年起該國外某（mǒu）知名風力機製造公司就在其（qí）新（xīn）製的機型上都（dōu）裝用不同型號、低頻、非線性扭轉（zhuǎn）振動減振阻尼裝置。這也證實了筆者的觀點。
除了由於動力機械（xiè）不均勻輸出功率會造成扭轉振動以外，不均勻吸收扭矩的工作機械，也會出現扭轉（zhuǎn）振動（dòng）。
風力機的低頻扭轉振動情況（kuàng）與風的時變性使（shǐ）風（fēng）力機葉輪的（de）不均勻吸收和輸出功（gōng）率（lǜ）的情況有關，在係統的（de）振動特性不變時（shí），當吸收（shōu）和輸出功率的波動越大（dà），扭轉振動的振幅也越大。
所有（yǒu）的工業機械，都發生過由於扭轉振動而造成的事故。
如果係統存在低頻扭轉振動，風力機傳動（dòng）軸係統就會產（chǎn）生由低頻扭轉振動而（ér）引起的低頻（pín）扭轉振動應力，這應力是風力機裝置本身所應承（chéng）受的（de）應力（lì）之外的低頻扭轉振動附加應力，這樣就加（jiā）重（chóng）了（le）風力機主傳動鏈部件的負荷，當應力超過允許限（xiàn）度，就會使風（fēng）力機軸係主傳動鏈部件產生疲勞損壞。
當風力機的軸係產生低頻扭轉振動時，有以下（xià）幾種現象（xiàng）：
1.軸係主軸發生扭轉性的疲勞斷裂；
2.軸係中的連接部件（jiàn），如軸係的連接螺栓等（děng）等發生損（sǔn）壞，以致斷裂；
3.軸（zhóu）係中各附件如油泵等的（de）連（lián）接軸（zhóu）產生（shēng）多發性的扭（niǔ）轉疲勞斷裂；
4.葉輪的輪轂和主軸的連接螺紋緊固件等發生磨損、磨鬆或斷裂；
5.軸係中局部軸發生過（guò）熱現象；
6.引起增速齒輪箱傳動齒輪的脫（tuō）開-衝擊或齒輪傳動部位發生點蝕、噪聲（shēng）以（yǐ）致齒牙折斷；
7.引起各滾動軸承滾柱、滾珠與保持架（jià）脫開、衝擊以致損壞；
8.使軸係中的各種過（guò）盈配合或紅套部位發生嚴重鬆動（如過盈配合或紅（hóng）套的軸承的內外圈鬆動（dòng）至跑圈）、錯位現象（xiàng）；
9.機組產生縱向和橫向（xiàng）振動；
10.機組的發電機裝置（zhì）發生嚴重的運轉不平穩，導致電壓脈動，影響電氣設備工作不正常。
以上各種由於扭轉振動引起的（de）事故，根據（jù）低（dī）頻扭轉振動的強烈程度，有（yǒu）時僅（jǐn）出現一種，有時（shí）同時出現多種。
一、把風力（lì）機簡化為雙質量係統
風力（lì）機傳動裝置的雙質量係統簡圖中（zhōng）風輪部分的當量慣量為I1、發電機（jī）（或+齒輪箱部分）的轉動慣量為I2，它們之間的剛度為（wéi）K1，2。
在某風速下在（zài）風輪部分作用一當量的激勵扭（niǔ）矩的低頻扭轉振動特性（xìng）是：
風輪I1發電機（或+齒輪箱）I2
簡化風力機主傳動裝置的（de）雙質（zhì）量（liàng）係統當（dāng）量圖（tú）
風力機傳動（dòng）裝置的雙質量（liàng）係統中，兩（liǎng）個質量的振幅成反向（xiàng），即a2=（-I1/I2）×a1，兩振幅之比與（yǔ）兩慣量之值成（chéng）反比。隻要大慣量風輪（lún）有微小的振幅，後麵小慣（guàn）量（liàng）的主軸（zhóu）承、齒輪、齒輪箱軸承、發電機轉子、發電機軸承的振幅就會被放大——相當於一個動力放大器。
風力機傳動裝置之所以會產生低頻扭轉振（zhèn）動，其根本原因在於風力（lì）機傳動裝置的軸係是低轉速，不但（dàn）具有轉動慣（guàn）量（liàng）特性，而且還具有扭轉的彈性特性，這種（zhǒng）慣量與彈性的（de）適當組合使得軸（zhóu）係具有固有的低頻扭轉（zhuǎn）振（zhèn）動特性（xìng）。
由於風（fēng）力機大慣量風輪的慣量會隨其葉輪直徑Z高點的風速（sù）、風（fēng）壓、大氣溫（wēn）度的變化而變化，所以其低頻扭轉振動特性也會隨之變化，其低頻扭轉振動特（tè）性是非線性的。
作為風力機，由於其（qí）葉輪葉片工作的（de）周（zhōu）期性性質，使得作用於軸係上（shàng）的扭矩為一周期性的簡諧扭（niǔ）矩，而形成激勵源，當激勵力的（de）頻率與其（qí）固有的振動頻率相（xiàng）同時，就會產生“共振”現象，將使低頻扭轉振（zhèn）動（dòng）得到巨大的動態放大作用，從而大（dà）大增加了軸係中所受到的扭轉應力，導致軸係發生各種事故。
目前有（yǒu）99%風力機是剛（gāng）性傳動的雙質（zhì）量係（xì）統，它們都有個共同點：其係統（tǒng）的首部均為大慣量，艉均為小慣量。這樣隻要大慣量風輪有微小的振幅，後麵小慣量的振幅（fú）就會成百倍到上十萬倍地增大。
二、低頻扭轉（zhuǎn）振（zhèn）動產生的損壞（huài）表現
實際風力機傳動軸係裝置不同於扭擺。它屬於兩端（duān）都是自由的所（suǒ）謂“自由（yóu）-自（zì）由”係統。各（gè）點的振幅都會很大。這種係統在運轉（zhuǎn）時，將產生“滾振”現象。理論及實（shí）踐上都證明“滾振”現象隨（suí）工作（zuò）轉速的降低而增大。即“滾振（zhèn）”是屬於低頻也就是低轉速範疇內的問題，實際上風力（lì）機主傳動軸係-風輪（lún）是在低轉速運轉，一般都在十多（duō）轉/每分（fèn）鍾。但是風力機傳動軸係較短，在風力機大部分甚至全部運（yùn）轉範圍內（nèi）的“滾（gǔn）振”反而可能會變成為風力機低頻扭轉振動的主要表現。
由於低頻扭（niǔ）振破（pò）壞屬於疲（pí）勞破壞，除了（le）低頻扭振應力很大時，大部分情況是要經過一（yī）段時間使用（yòng）才有損壞現象出現，這樣就更容易被人（rén）們（men）所忽視。當風力機經常運轉（zhuǎn）在非線性的低頻扭振（zhèn）臨界轉速時（shí），一（yī）般容易出現的現象為風力機的增速齒輪（lún）箱噪聲（shēng）大，齒麵容易出現點蝕、剝落等摩損現象，嚴重的會出現斷齒螺栓（shuān）折斷及滾動軸承跑圈，滾子（zǐ）、保（bǎo）持架損壞等事故。可以使軸係中某些位置（zhì）經數分鍾運轉即發熱，或造成軸折斷等事故，當然低頻扭轉振動並不是不可能反映在風力機振動上（shàng），例如係統中有增速齒輪箱而且低頻扭振比（bǐ）較（jiào）嚴重（chóng）時，當低頻扭振交變力矩瞬時超過傳（chuán）遞平均扭矩時，齧合齒輪會出現瞬時（shí）脫離現象造成輪齒的衝擊-敲擊。由於齒輪的衝擊，使增速齒輪箱承受很大的扭矩，通過底座傳到機座，也會造成風力機總振動（dòng）或（huò）局部振動，以至造成風力機損壞事故。
主傳動鏈故障（zhàng）次要原因——微動磨損（sǔn）
風力機存在振動，有振動就有微動磨損。
微動磨（mó）損普遍存在於機械（xiè）行業（yè）、核反應堆、航空航天（tiān）、橋梁工程、汽車、鐵路、船舶、電力工業、風力機、電信（xìn）裝備和人工植入器官等領域的緊配合部件中，隨著高科技領域對高精度、長壽命和高可靠性的要（yào）求（qiú），以及各種工況條件（jiàn）的苛（kē）刻，微動損傷的危害日益凸現。微動損傷現已成為一（yī）些（xiē）關鍵零部件失效的主要原因之一，甚至稱之為“工業癌症”。
由於機械、流體、熱循環、電磁等引起的（de）振動，微動磨（mó）損普遍存在於看似“靜止”的各種間隙或緊（jǐn）配合的接觸界麵。
（1）微動磨損會（huì）造成（chéng）各種連接件，包括各種螺栓（shuān）、鉚釘、銷（xiāo）連接和搭（dā）接，微（wēi）動損傷鬆動、失效。
（2）微動磨損會造（zào）成各種緊固機構和夾持機構產生微動疲勞裂紋。
（3）微動磨損會造成各種榫槽配合、花鍵配合發生的微動疲勞損傷（shāng）（風力（lì）機行星傳動就有花鍵（jiàn）與（yǔ）花鍵槽配（pèi）合）。
（4）微動磨損會造成（chéng）各種繩索（suǒ）類構件（如風力機的電纜、鋼絲繩、斜拉索等）發生微動疲勞損傷。
（5）微動磨損會造成各種（zhǒng）過（guò）盈配合，如輪軸類部件。如（rú）滾動軸承（chéng）內/外（wài）圈與軸/軸承座（zuò）發生微動疲勞斷裂、鬆動、跑圈，即軸冷切（qiē）。
（6）微動磨損會造（zào）成各種（zhǒng）間（jiān）隙配合發生微動損傷。
（7）微動磨損會造成各種彈性支撐機構（gòu）發生微動損傷。
（8）微動磨損會使置於振（zhèn）動環境下堆積的零件，在運輸過程中在局部地區發生微動磨損，造成表麵擦傷。
（9）微動（dòng）磨損會（huì）使滾珠/滾柱軸承的滾珠/滾柱在承受法向交變載荷後在內外滾道上留下通常被稱為“偽布氏壓（yā）痕”的圓形凹坑狀微動損傷。
（10）微動磨損會使各種人工植入件，如人工關節與骨（gǔ）刺處在人體運動（dòng）時發生微動磨損，因微動損傷造成鬆動或斷（duàn）裂等。
（11）微動磨損會使各種電接（jiē）觸部件，部分儀器設備中的（de）電接觸件在機械振動、電磁作（zuò）用（yòng）、熱波動下導致表（biǎo）麵微動（dòng）損傷（shāng）、信號失真或失靈。
（12）微動磨損會使核工業的燃料棒組件（jiàn）彈性（xìng）支撐機構（gòu）和蒸汽發生器及熱交換器發生微動損傷。
在工程實際中判（pàn）斷是否發（fā）生了微動損傷，一般可通（tōng）過如下4個步驟進行：
（1）判斷是否有振動源或承受交變（biàn）載荷——微動發生的內因。
（2）判斷損（sǔn）傷是否發生在名義上靜止的緊配合界麵上——微動產（chǎn）生的（de）必要條件。
（3）判（pàn）斷是否（fǒu）存（cún）在微動損傷的表麵形貌。
（4）判斷磨（mó）屑的特征。
主傳動鏈故障第三個原因——載荷譜設計偏離實際。
風力機設計階段，其載荷（hé）譜是按傳統的（de）思維考慮（lǜ）——沒有從動態考慮實際風況的頻（pín）繁突變以及異常變化的時變性、波（bō）動性、間歇（xiē）性。工（gōng）況異常變化引起的異常瞬態工（gōng）況（其異常瞬態載荷會比假（jiǎ）設（shè）的極（jí）端載荷大得（dé）多）載（zǎi）荷變（biàn）化越快，其軸承的PVmax值就越大，轉子和軸承的耦合會使PVmax值變得更大，保持架滑動率、滾子的滑（huá）動率、軸承（chéng）的PVmax值會（huì）出現瞬時較（jiào）大的現象，這時（shí）軸承將出現瞬時高溫、磨損等現象，這將引起軸承失效。同時異常瞬態工況引起磨擦副間油膜破壞（huài）→磨擦副間半幹磨擦（或幹磨擦）→磨擦副微點（diǎn）蝕/磨損→磨擦副軸向（xiàng）開裂損傷→磨擦副蠕（rú）動或跑圈/軸承（chéng）或（huò）輪齒失效。
目前載荷（hé）譜僅考慮正常運轉工況下（xià）的安全設計餘量，不是按DfR進行可（kě）靠性設計，使設計（jì）的產品實際承受應（yīng）力大於材（cái）料強度的（de）概率盡量減小，即使產品的（de）設計達到可靠性的要（yào）求原（yuán）則。
未充分考慮異常風的瞬時工（gōng）況，如風速瞬時在變、風機急停（tíng）、急啟時等情況下產生的異常（cháng）瞬時衝擊載荷大大超過設計極限載（zǎi）荷（hé）（國外已（yǐ）測出超過3到5倍（bèi）極限載荷），風力機長期（qī）在異常衝（chōng）擊載荷、交變載荷作用下，極大影響磨擦副各（gè）零件的剛度和形變量（liàng），改變了磨擦副零件配合精度，降低了其疲（pí）勞壽命。
現在（zài）不管哪（nǎ）種（zhǒng）風力機出了故障、整機設計廠很少從自身傳動係統找原因、總把責任推到齒（chǐ）輪（lún）箱、推到軸承或其他（tā）方麵去，這是不（bú）公平（píng）的。整機設計（jì）廠總認為目前所使用的剛性傳動係統是Z好的，其實不然。
目前風力機這個問題表現在主軸承、齒輪箱（xiāng）軸承、變槳軸承甚至輪齒上，實際（jì）上是已觸及到風力發電設備設計的核心：風力機的傳動係（xì）統的設計、風力機的載荷譜、風力機的控製策略以及風力機設計軟件的可靠性等（děng）。
幾點建（jiàn）議
1.按DfR的評估方法（IEEE1624評估、AIAG計分評估法）用Z流行的軟件可靠性（xìng）評估工具CASRE（計算機輔助軟件可靠性評估）評估目前風力機所用的設計軟件可靠性。
2.建（jiàn）議在目前已有的和（hé）新設計的風力機主傳動係統中加裝不同（tóng）型號、低頻、非線性扭（niǔ）轉振動減振阻尼裝置。
3.建（jiàn）議風（fēng）電機（jī）組傳動係（xì）統應需破除技術慣（guàn）性並加強創（chuàng）新。
4.建議推廣國家科技部863項目——複合行星傳動裝（zhuāng）置+液力變矩傳動技術就是柔性傳動（dòng）係（xì）統技術進（jìn）行深（shēn）入調研。
目前國內已有27台使用了七年的複合行星傳動裝置+液力變矩傳動技術（其低增比（1:30）齒（chǐ）輪箱用Romax軟件設計dBA=88）的同步風力發電機組，其中兩台樣機七年來可利（lì）用率達到99%。
它能回收5%～8%功（gōng）率，重量（liàng）比同樣功率少20%、體積（jī）減少15%，能吸收和降低風力機異常瞬時衝擊載荷的電網友好型的傳動係統的同步風力發電機技術（印度（dù）開發商曾前來國內某風場考（kǎo）查過該技（jì）術（shù）、並和相關製造廠洽（qià）談同時要求買（mǎi）斷該機型（xíng）在南亞銷售權）。
有自（zì）動換擋小汽車的都體驗到，小汽車自動換擋就是變速齒箱+液力變矩的傳動裝置，其（qí）變速齒箱都是很可靠（kào）的，原因就是該傳動係統有液力變矩的傳動裝置、液力變矩的傳動裝置不（bú）是直驅機或雙饋機那樣的剛性傳動，而是可以吸振和減振的（de）柔性傳動係統。
5.建議從風電齒輪箱製造廠講，是否可改變現行對風電（diàn）齒輪箱的試驗考核方法，使其盡量回（huí）歸到其實際的運行工況。例如筆者（zhě）在九年前先後在國內兩家（jiā）風電齒輪（lún）箱製（zhì）造廠所作過的按1200個循環（5%→100%→5%→100%）、275小（xiǎo）時變工況考（kǎo）核（其中100%共250小時）的試驗。
6.風力機的控製策（cè）略要優化到盡可能限製或減少對風力機傳動軸係-軸承係統突然加載。
尤其是高速軸承的工（gōng）況交變嚴重時會使高速軸（zhóu）係轉子和（hé）高（gāo）速軸（zhóu）承耦合。
7.應規範風力機葉片（piàn）其靜/動平衡要求
目前（qián）國內製造（zào）的風力機葉片均未（wèi）規範其靜/動平衡要求（qiú），而會使風力機頻（pín）繁地（dì）在某些轉（zhuǎn）速時存（cún）在（zài）不平衡激勵而引發不平衡振動造成慢變故障，即可使風力（lì）機整個傳動係統產生不平衡響應引起軸承和輪齒的失（shī）效（xiào）。
筆（bǐ）者認為提高風電齒輪箱及軸承的可靠性，除了風電齒輪箱廠、軸承廠的努（nǔ）力外，整機廠的整機主傳（chuán）動係統的可靠性設計才是重要的一環（huán）。希望整機廠能夠給予（yǔ）重視。
（來源：風能委員會）
