风电轴承失效模式与故障模式及诊断方法研究进展.docx

《风电轴承失效模式与故障模式及诊断方法研究进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风电轴承失效模式与故障模式及诊断方法研究进展.docx（32页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、风电轴承失效模式与故障模式及诊断方法研究进展轴承是风电机组的关键部件,在恶劣工况下工作容易出现过早失效。首先,以风电机组的主轴、变桨与偏航、齿轮箱、发电机等轴承应用部位作为出发点,对风电轴承的应用形式进行了总结;其次,介绍了风电轴承的主要失效形式（微剥落、微动磨损、白蚀裂纹、电蚀）并对失效原因和解决措施进行了分析；然后，从研究方式的角度，阐述了有限元法与试验法的研究成果；最后，提出风电轴承力学特性的分析以及失效模式的形成机理研究有待进一步深入，后续研究应注重于建立考虑设计及装配参数的耦合动力学模型，并进行更完善的试验设计以深入分析轴承的失效机制。近年来,作为清洁、可再生能源的风能成为实现碳中和

2、目标必不可少的重要力量1。目前风力发电正处于高速发展阶段,其装机总量已占我国新能源装机总量的30.44%（截至2021年）,成为继火电和水电之后的第三大发电能源,预计到2030年我国装机容量将达到全球的20%2-3o风力发电机通常坐落于偏僻、交通不便、环境恶劣的远郊地区以及沿海、近海区域,风电机组通常安装在几十米的高空,检修及更换困难且成本高,传动系统失效时停机时间长且维护费用昂贵,将直接导致风电机组发电效率降低及运行维护成本的增加。陆上和海上风电机组的运行维护费用分别占其总收入的10%20%和25%30%4,降低传动系统失效率对于减少运行维护费用及增加收入具有重要意义。传动系统由主轴、变桨、

3、偏航、发电机及齿轮箱等部分组成,大都采用滚动轴承支承,少量采用滑动轴承。轴承在交变载荷、变风速、偏载等恶劣环境下工作导致其工作寿命往往低于20a的设计使用寿命,由轴承引起的传动系统故障占比高达30%5,为尽可能避免轴承过早失效引起停机所造成的经济损失,需理清传动系统轴承的失效原因,提供更好的解决措施以减少运维成本。基于上述原因，本文对轴承应用形式进行归纳,总结传动系统轴承的主要失效形式，从轴承失效原因、解决措施及研究方式着手对国内外的研究成果进行系统评述，提出目前研究中存在的问题并展望进一步的研究方向。1轴承应用形式如图1所示,轴承是风电机组的基础部件,根据不同工况以及应用部位（如主轴、偏航与

4、变桨系统、齿轮箱和发电机）选择不同的轴承类型与组合形式,为传动系统提供支承并减小运行时的摩擦磨损。发电机轴承齿轮箱轴承主轴轴承偏航轴承变桨轴承图1风电机组传动系统轴承示意图Fig.lDiagramofwindturbinedrivesystembearings1.1 主轴轴承主轴起支承轮毂与叶片,传递扭矩至齿轮箱的作用,主轴轴承则承受风力,主轴及齿轮箱的重力产生的载荷以及轴向载荷和倾覆力矩。主轴具有很大的跨度,色产生弯曲变形,要求主轴轴承具有一定的调心能力,常用的结构形式如图2所ZjO调心滚子轴承圆柱滚;轴承双列圆锥滚子轴承图2风电机组主轴轴承结构示意图Fig.2Structurediagra

5、mofwindturbinemainshaftbearings根据风电机组的发电功率、结构、工况等条件,主轴轴承采用不同的配置方式以保证主轴运转的平稳性,目前常用的有单点支承、两点支承及三点支承:1）单点支承多用于直驱、半直驱风电机组,其齿轮箱体与主支架为一体化设计,只使用一套轴承支承主轴,轴承承受全部载荷,通常使用大直径的双列圆锥滚子轴承或三排圆柱滚子轴承。2）两点支承通过独立安装在主机架上的轴承支承主轴,靠近风轮侧的轴承作为自由轴承,靠近齿轮箱侧的轴承作为固定轴承承受轴向载荷,轴承的配置方式见表17,2套轴承同时承受径向载荷,塔架和主支架承受弯矩,主轴仅向齿轮箱传递扭矩。表1两点支承轴承的

6、配置方式Tab.1Configurationoftwopointsupportbearings主轴侧齿轮箱侧调心滚子轴承调心滚子轴承调心滚子轴承快I柱滚子轴承双列网锥滚子轴承圆柱滚子轴承单列圆锥滚子轴承单列圆铢滚子轴承3）三点支承使用一套轴承作为固定端轴承,为保证与输入轴的同轴度,固定端轴承采用调心滚子轴承;齿轮箱侧则安装2套支承轴承作为自由端轴承,通常采用双列圆锥滚子轴承及圆柱滚子轴承,用于承受部分径向载荷和轴向载荷。1.2 偏航、变桨轴承偏航与变桨系统需要根据风速的大小和方向随时调整叶片桨距和迎风角度以获取最佳风量,从而保证风电机组稳定的输出功率。偏航、变桨轴承在工作中受多向载荷、扭矩及倾

7、覆力矩的共同作用,具有频繁变动、摆动速度低、重载等工作特点,滚动体一直处于微动状态,难以在接触区域形成有效的润滑油膜。目前,偏航、变桨轴承多为转盘轴承（图3）,具体类型包括单排四点接触球轴承、双排四点接触球轴承、交叉圆柱滚子轴承以及三排圆柱滚子轴承。另外,根据驱动方式的不同,也可分为内齿式、外齿式、内齿式加外齿式3种结构形式。双排四点接触球轴承三排圆柱滚子轴承图3偏航、变桨轴承结构示意图Fig.3 Structurediagramofyawandpitchbearings1.3齿轮箱轴承由于主轴转速较低,需采用齿轮箱将主轴转速(1015rmin)增速至发电所需转速(12001500rmin)。

8、齿轮箱常用三级传动,输入端为一级行星轮,中间轴及高速轴采用二级平行轴传动。齿轮箱传动比大,承受的扭矩和转速波动范围大,载荷易发生突变,导致各位置轴承的受力方式不同。具体的齿轮箱轴承应用形式见表2网,其中:SRB为调心滚子轴承;TRB为圆锥滚子轴承;CRB为圆柱滚子轴承;FCCRB为满装圆柱滚子轴承;4PCBB为四点接触球轴承。表2齿轮箱各位置轴承的应用形式Tab.2Applicationformsofbearingsateachpositionofspeedincreasinggearbox使用位置轴承应用形式行星齿轮支座FCCRB,SRB,TRB行星齿轮SRB,CRB,FCCRB,TRB自由

9、端:SRB,CRB,FCCRB诋坯刑固定端:SRB,TRB,FCCRB自由端:FCCRB.SRB1II11JWI固定端：SRBtTRB.CRB+4PCBB自由端:TRB,SRBwjJWI固定端:TRB,SRB,CRB+TRB随着风电机组功率的提高,滑动轴承因其承载能力强、体积小、制造及维护成本低等特点,开始逐步在风电机组齿轮箱中得到应用。风电机组受到偏航力矩、风轮重量等非扭载荷,而且齿轮箱内存在复杂的结构耦合变形,容易引起滑动轴承轴颈一轴瓦边缘接触,导致轴承过早失效。目前,通过“径向滑动轴承+推力滑动轴承”的组合设计使滑动轴承能够承受非扭载荷,并采用柔性销的滑动轴承设计,以改善非扭载荷下滑动轴

10、承的受力状态9,其设计结构如图4所示。图4滑动轴承结构设计示意图Fig.4 Structuredesigndiagramofslidingbearing1.4发电机轴承发电机轴承的组配形式较多,最常见的是深沟球轴承与圆柱滚子轴承的组合,圆柱滚子轴承承受较大的径向载荷,深沟球轴承承受一定的轴向载荷。2主要失效形式与常规工况下运行的精密轴承不同,风电轴承运行过程中会出现超载及载荷局部集中等情况,其失效形式也不再以长期运行出现的磨损失效为主,而是出现局部剥落,微裂纹扩展等导致轴承提前失效。据统计,风电机组传动系统轴承90%的失效由润滑不良(30%)、装配不规范(40%)及制造缺陷(20%)引起10。

11、进一步的研究指出,齿轮箱轴承最容易失效,其次是主轴轴承、变桨和偏航轴承以及发电机轴承11,其对应的主要失效形式分别为白蚀裂纹、微剥落、微动磨损与电蚀12。白蚀裂纹(图5)不同于局部剥落失效,而是滚动接触疲劳早期次表面显微组织变化后由组织异物及其他因素引起的裂纹扩展,目前尚未对其失效原因形成共识,通常在轴承寿命的10%20%时出现13。图5风电轴承的白蚀裂纹Fig.5 WECofwindturbinebearing微剥落通常发生在混合润滑或边界润滑条件下,因滚动体的滑动或打滑引起较高的切向剪切应力,使其接触区域发生油膜破裂,致使粗糙峰之间直接接触,造成表面极小材料的剥落,形成微剥落。许多微剥落聚

12、集在一起呈现灰色的裂纹状态14。微动磨损是由滚动体与滚道接触面之间产生微小幅度的相对运动(微动)所引起的复合磨损,其基本形式分为切向式、径向式、滚动式和扭动式。微动磨损的失效形式为伪布氏压痕和微动腐蚀:伪布氏压痕出现在微动初期,接触表面存在润滑脂的边界润滑,其磨损机理是滚动幅度稍大,与自然氧化层形成轻微黏着,磨屑为黑色的Fe3O4;微动腐蚀发生在无润滑状态,磨损机理是严重黏着,并穿过自然氧化层与母体材料形成冷焊,磨屑为暗红色的(X-Fe203,当微动幅度变大,将润滑脂带入接触区形成边界润滑时,又将产生伪布氏压痕。电蚀是由内圈、外圈、滚动体及其之间的润滑油膜等效成电容,当轴电压超过油膜阈值电压时

13、产生发电现象,在滚道表面产生局部高温而形成的局部熔融坑。在机械载荷作用下,熔融坑逐渐累积并形成条纹状凹槽15,典型的风电机组发电机轴承电蚀失效如图6所示。图6风电机组发电机轴承电蚀失效Fig.6 Electricerosionfailureofwindturbinegeneratorbearing另外,根据风电机组现场轴承失效统计数据:磨损、软带裂纹、套圈断裂、保持架破损或断裂（图7）以及由于局部接触疲劳引起的密封失效与润滑不足导致轴承过热等均是风电轴承常见的失效形式,其中由磨损导致的异常振动严重影响轴承寿命16。图7风电机组转盘轴承保持架断裂Fig.7 Fractureinwindturbi

14、neslewingbearingcageFig.8 解决措施研究现状以主轴轴承、变桨、偏航轴承、齿轮箱轴承与发电机轴承为例,介绍传动系统轴承的失效原因与解决措施的研究现状。3.1 主轴轴承当采用调心滚子轴承时,影响主轴轴承失效的主要因素为剥落。由于转速慢,难以在接触区域形成有效的润滑油膜,接触区域内由于滚子微动作用而产生较高的剪切应力,使滚道表面出现微剥落失效,而不是滚动接触疲劳。文献17以230/600系列调心滚子轴承为研究对象,指出调心滚子轴承具有特殊失效模式,即首先会在滚道表面出现规则的棱纹,然后再出现微小的疲劳裂纹,最后产生疲劳剥落;如图8所示,左图为失效初期滚道表面受微塑性流动作用在

15、中心出现的2条规则棱纹,右图为完全失效时滚道表面在接触边缘部分产生应力集中,裂纹由边缘向中心扩展,同时滚道中心在剪切应力作用下产生的疲劳剥落。文献18对230/600系列调心滚子轴承微剥落失效的影响因素进行研究,指出轴承在迎风侧受载,逆风侧不受载,内圈上产生了不均匀的载荷及应力分布,从而加速了轴承的剥落失效。图8230/600系列调心滚子轴承剥落失效Fig.8Spallingfailureof230/600seriessphericalrollerbearing文献19针对某风电场失效的240/530系列调心滚子轴承进行理化检验,发现轴承在运行过程中承受了较大的轴向载荷,偏载导致其无法调心,一侧滚道及滚子表面出现疲劳剥落。文献20通过分析某风电场失效的主轴轴承,发现热处理不当是造成圆锥滚子轴承失效的主要原因,渗碳层深度、滚动体和内、外圈硬度不合格使得滚动体表面受损、破裂并挤压滚道。文献21针对某3MW风电机组圆锥滚子轴承运行中发生提前失效,保持架断裂且内圈与滚子发生严重摩擦磨损从而导致机组停机的问题进行分析,确定主轴轴承密封圈唇口损坏而产生润滑脂泄漏,没有及时调整加注周期和加脂量是该主轴轴承的失效原因。文献22通过对三排圆柱滚子轴承的滚道、螺栓组及轴承寿命计算发现轴向滚子受力时易产生滑动,温度过高导致润滑脂失效。上述工程案例分