主軸系后竄故障機(jī)理分析
2025-08-09
作者：梁雪
風(fēng)電機(jī)組主軸系竄動(dòng)一直是影響機(jī)組正常運(yùn)行的疑難雜癥。主軸系軸向竄動(dòng)可能會(huì)損傷到齒輪箱里其他零部件，造成齒輪箱失效，進(jìn)而直接或間接的導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。受設(shè)計(jì)條件和現(xiàn)場(chǎng)湍流因素的影響，主軸系竄動(dòng)問(wèn)題很難得到根治，一些主機(jī)廠將該問(wèn)題視作需要進(jìn)行嚴(yán)格控制的故障參數(shù)。一旦出現(xiàn)，主軸系竄動(dòng)量超過(guò)極限，將導(dǎo)致主軸承、齒輪箱失效，此類事故已在風(fēng)電場(chǎng)屢屢出現(xiàn)。
在現(xiàn)場(chǎng)勘察調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，已投入使用10年的1.5MW風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組主軸系統(tǒng)采用的是雙列調(diào)心滾子軸承，同時(shí)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(dòng)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(guò)多的打滑，加上潤(rùn)滑不良使材料發(fā)生從點(diǎn)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(jiàn)故障。這些都會(huì)造成主軸系后竄影響風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行。如圖所示，通過(guò)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(yuǎn)離風(fēng)輪側(cè)滾道為第1列，靠近風(fēng)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(zhǎng)期處于第1列滾動(dòng)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(dòng)體受力點(diǎn)處嚴(yán)重剝落失效，最終導(dǎo)致主軸系后竄。因此，從實(shí)際工程意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值角度出發(fā)，有必要進(jìn)一步確定機(jī)組軸承滾道損傷機(jī)制以及主軸系后竄故障機(jī)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(fēng)電機(jī)組主軸系統(tǒng)中軸承的潤(rùn)滑問(wèn)題也可能引發(fā)后竄故障。滾動(dòng)軸承大多用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑脂的失效一度被認(rèn)為是軸承失效的主要原因。潤(rùn)滑脂由基礎(chǔ)油、添加劑和增稠劑微觀結(jié)構(gòu)組成，充當(dāng)儲(chǔ)油器，緩慢釋放油以補(bǔ)充接觸。因風(fēng)電機(jī)組經(jīng)常在極端環(huán)境下運(yùn)行，主軸系統(tǒng)中的各個(gè)部件要承受較大的負(fù)載和振動(dòng)。例如：調(diào)心滾子軸承中滾子發(fā)生偏移或磨損，容易導(dǎo)致主軸系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。
目前在運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組主軸軸承的潤(rùn)滑方式主要有兩種：潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑及壓力潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，其中使用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑比例較高。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速一般在10-20轉(zhuǎn)/分，低轉(zhuǎn)速導(dǎo)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(kāi)兩個(gè)金屬表面，則潤(rùn)滑沒(méi)有達(dá)到預(yù)定的效果，軸承就會(huì)發(fā)生早期磨損，產(chǎn)生材料剝落的損傷，發(fā)生半干滑動(dòng)摩擦，繼而導(dǎo)致軸承跑圈。壓力潤(rùn)滑方式對(duì)改善軸承的工作條件十分有利，除了及時(shí)形成油膜保護(hù)滾道滾子之外，還能帶走熱量和磨粒。
根據(jù)以往風(fēng)電機(jī)組主軸后竄故障的發(fā)生，得出主軸軸承的磨損是導(dǎo)致主軸后竄的主要原因之一。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于低速重載的條件下進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)變得不穩(wěn)定，從而引發(fā)后竄故障。因此，定期檢查和維護(hù)主軸軸承是保障主軸系統(tǒng)正常運(yùn)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(dǎo)致滾子溢出，使風(fēng)電機(jī)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(gè)圓周表面，對(duì)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(dòng)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(dǎo)致其承載無(wú)效的接觸載荷以及內(nèi)隔圈與軸承內(nèi)圈對(duì)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(dòng)體該區(qū)域整個(gè)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(yīng)力集中導(dǎo)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(yīng)力集中導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋或剝落。
因此，針對(duì)尚在服役期內(nèi)的1.5MW風(fēng)電機(jī)組，理清其主軸系統(tǒng)后竄故障機(jī)理，從而探究緩解風(fēng)電機(jī)組主軸系后移的解決辦法是至關(guān)重要的。
來(lái)源：中科經(jīng)創(chuàng)智慧能源
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