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啤嶺機電設備(上海)有限公司

主軸系后竄故障機理分析

2025-08-09

作者:梁雪

風電機組主軸系竄動一直是影響機組正常運行的疑難雜癥。主軸系軸向竄動可能會損傷到齒輪箱里其他零部件,造成齒輪箱失效,進而直接或間接的導致機組停機。受設計條件和現(xiàn)場湍流因素的影響,主軸系竄動問題很難得到根治,一些主機廠將該問題視作需要進行嚴格控制的故障參數(shù)。一旦出現(xiàn),主軸系竄動量超過極限,將導致主軸承、齒輪箱失效,此類事故已在風電場屢屢出現(xiàn)。

在現(xiàn)場勘察調(diào)研中發(fā)現(xiàn),已投入使用10年的1.5MW風電機組主軸系軸承均存在一定程度的磨損以及性能衰減,因1.5MW風電機組主軸系統(tǒng)采用的是雙列調(diào)心滾子軸承,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,浮動端的軸承承受載荷很小,大部分徑向載荷和軸向力由固定端軸承承受,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、卡死等常見故障。這些都會造成主軸系后竄影響風電機組正常運行。如圖所示,通過拆解失效后吊裝下塔的固定端軸承發(fā)現(xiàn),固定端軸承第1列滾道(遠離風輪側(cè)滾道為第1列,靠近風輪側(cè)滾道為第2列)受損程度明顯高于第2列滾道,該軸承長期處于第1列滾動體單邊承載狀態(tài);在沖擊軸向載荷作用下,中隔圈與第1列滾動體受力點處嚴重剝落失效,最終導致主軸系后竄。因此,從實際工程意義和經(jīng)濟價值角度出發(fā),有必要進一步確定機組軸承滾道損傷機制以及主軸系后竄故障機理,重構(gòu)卸荷路徑,從而提高軸承服役期限、抑制或良好改善軸系后竄故障。

其次,風電機組主軸系統(tǒng)中軸承的潤滑問題也可能引發(fā)后竄故障。滾動軸承大多用潤滑脂潤滑,潤滑脂的失效一度被認為是軸承失效的主要原因。潤滑脂由基礎油、添加劑和增稠劑微觀結(jié)構(gòu)組成,充當儲油器,緩慢釋放油以補充接觸。因風電機組經(jīng)常在極端環(huán)境下運行,主軸系統(tǒng)中的各個部件要承受較大的負載和振動。例如:調(diào)心滾子軸承中滾子發(fā)生偏移或磨損,容易導致主軸系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

目前在運行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(zhuǎn)速一般在10-20轉(zhuǎn)/分,低轉(zhuǎn)速導致主軸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。

根據(jù)以往風電機組主軸后竄故障的發(fā)生,得出主軸軸承的磨損是導致主軸后竄的主要原因之一。由于風力發(fā)電機主軸系統(tǒng)長時間處于低速重載的條件下進行工作,主軸軸承容易受到磨損。隨著磨損程度的加劇,主軸的運轉(zhuǎn)會變得不穩(wěn)定,從而引發(fā)后竄故障。因此,定期檢查和維護主軸軸承是保障主軸系統(tǒng)正常運行的重要措施之一。

由于內(nèi)圈內(nèi)隔環(huán)與后排滾子邊緣出現(xiàn)大面積疲勞剝落、外圈后排滾道表面疲勞微剝落,導致滾子溢出,使風電機組主軸系出現(xiàn)后竄故障。如上圖所示,前排滾子后端接觸面(齒輪箱側(cè))顏色光亮具有金屬光澤,伴隨有密集淬硬鋼顆粒壓痕,延伸至滾子該區(qū)域整個圓周表面,對比外圈前排滾道接觸軌跡可確定:前排滾子存在較大后移竄動量,該接觸區(qū)域已溢出外圈前排滾道,與軸承外圈的內(nèi)隔圈直接接觸,導致其承載無效的接觸載荷以及內(nèi)隔圈與軸承內(nèi)圈對滾子的擠壓載荷;前排滾子中后端呈灰暗色、淡黃色相間環(huán)形條紋,延伸至滾動體該區(qū)域整個圓周,且伴隨少量淬硬鋼顆粒壓痕,以及少量犁溝擦痕損傷,該區(qū)域滾子局部呈現(xiàn)淡黃色光亮條紋,滾子存在自轉(zhuǎn)打滑,通常伴隨著摩擦熱,形成局部高溫,滾子作用面回火再硬化,呈現(xiàn)淡黃色條紋,然而該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)因摩擦熱引起局部應力集中導致產(chǎn)生裂紋或剝落;前排滾子前端呈現(xiàn)淡黃色光亮區(qū)域,滾子存在自轉(zhuǎn)打滑,通常伴隨著摩擦熱,形成局部高溫,滾子作用面回火再硬化,呈現(xiàn)淡黃色條紋,然而該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)因摩擦熱引起局部應力集中導致產(chǎn)生裂紋或剝落。

因此,針對尚在服役期內(nèi)的1.5MW風電機組,理清其主軸系統(tǒng)后竄故障機理,從而探究緩解風電機組主軸系后移的解決辦法是至關重要的。    

來源:中科經(jīng)創(chuàng)智慧能源

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