風電齒輪箱高速軸軸承振動的應用分析

高遠俊，戴虎，李興林

(1.杭州前進齒輪箱集團股份有限公司，杭州 311203；2.杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022)

風電齒輪箱是風力發電機組的重要機械傳動部件，其將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機，從而得到相應的轉速進行發電。由于齒輪箱安裝在80～100 m的高空，使用環境惡劣，維護困難，因此對齒輪箱的可靠性要求非常高。為了保證齒輪箱的可靠性，根據設計規范，要求齒輪箱在設計時振動不大于3.5 mm/s。目前，風電齒輪箱的高速軸越來越多采用圓錐滾子軸承，但該軸承振動經常導致齒輪箱振動超標，影響齒輪箱的運行壽命和可靠性。

1 軸承布置型式

風電齒輪箱高速軸軸承通常采用1套圓柱滾子軸承和2套面對面配對的圓錐滾子軸承(32034-X)支承，如圖1所示。

圖1 風電齒輪箱高速軸軸承布置

2 軸承的振動測試

32034-X安裝后的軸向游隙調整為0.20～0.25 mm(20 ℃溫差下計算所得運行游隙0～0.05 mm)。在樣機試車中進行了振動測試，各個軸承及齒輪等部件上均安裝振動加速度傳感器，其中高速軸軸承座處的安裝位置如圖2所示。

圖2 振動傳感器位置

第1次測試發現高速軸軸承振動異常，其他各處性能指標符合要求，為了比較高速軸軸承振動對齒輪箱性能的影響，分別在齒輪箱1和齒輪箱2上安裝2個品牌的軸承，齒輪箱其他配置相同，并通過試驗進行振動測試，結果見表1。由表可知，齒輪箱2在1 400，1 700，2 000 kW負載下的軸向振動值超出3.5 mm/s，不符合設計要求，而齒輪箱1基本能滿足設計要求。因此，通過對比試驗，可以初步判斷齒輪箱2的高速軸軸承引起了齒輪箱的振動測試數據偏高，需要對齒輪箱2的高速軸軸承進行分析，查找原因。

表1 振動測試結果

3 振動分析

3.1 外觀檢查

針對振動超標，軸承服務工程師在現場對軸承的內圈、外圈、保持架、滾子等零件進行了目測，沒有發現軸承有異常磨損等情況，如圖3所示。

圖3 試驗軸承

3.2 軸承固有故障頻率

為進一步分析軸承振動異常的原因，先計算高速軸轉速1 802 r/min時軸承各零件的固有頻率，結果見表2。

表2 軸承各零件的故障特征頻率

3.3 振動分析

根據表1振動測試結果及圓錐滾子軸承振動特性，主要對軸向振動數據進行分析，軸承軸向振動頻譜分析如圖4所示。

圖4 軸承軸向振動頻譜分析

從圖4可以看出，在低于3 000 Hz的低頻區間，2個齒輪箱的振動幅值基本相同；在大于3 000 Hz的高頻區間，齒輪箱2軸承的振動幅值大于齒輪箱1，且振動幅值高點超標。針對3 000 Hz以上區段與表2進行綜合分析發現，滾子故障特征頻率的22倍、44倍諧波頻率分別為3 234和6 468 Hz。如果滾子的22～44波圓度比較差，產生的振動頻率應該為3 234～6 468 Hz，與3 200～6 500 Hz的區間非常吻合。因此，根據實際應用經驗，初步判斷軸承振動很有可能是受到滾子第22～44波波紋度的影響。

對軸承進行拆解并進行檢測，發現滾子的波紋度出現異常，其中第11#滾子的第28波波紋度為0.265 μm(圖5a)，第12#滾子的第44波波紋度為0.307 μm(圖5b)，均大于風電齒輪箱所要求的滾子波紋度(0.16 μm)。當軸承高速旋轉時，滾子引起振動，導致齒輪箱運行時高速軸軸承振動檢測值偏高，與之前頻譜分析的結果比較吻合。

圖5 滾子的波紋度

4 結束語

通過對2套不同品牌的風電齒輪箱軸承的對比試驗發現，高速軸軸承的振動異常是導致齒輪箱振動超標的原因之一；滾子的波紋度對軸承的振動有很大影響，可對滾子進行油石研磨(珩磨)，進一步控制滾子的波紋度，從而保證軸承的使用及質量控制。