1.5MW水冷風力發電機軸承故障原因分析及改進措施

中車永濟電機有限公司 范秀云 田峰毅 嚴星濤 王 崙

引言

隨著風電應用市場競爭日趨激烈，風電電機制造商群雄并起，搶占有限的風電市場。公司風電產品在現場運行中出現各種故障，造成巨大損失；其中軸承故障的電機占有很大比率，因此找到影響軸承故障的原因非常必要。本文從軸承質量、配件質量、軸承游隙、軸電流、組裝工藝等方面分析探討了影響1.5MW水冷風力發電機軸承故障的主要因素，并提出了改進措施。

1.影響電機軸承壽命的主要因素

1.1 軸承質量

1.5 MW水冷風力發電機所使用的軸承型號為6332M/C3，為絕緣軸承。在軸承使用前，應仔細檢查軸承質量，目測軸承內、外圈滾珠、工作表面是否光潔，有無裂紋、壓坑、銹蝕、剝離、疲勞起層等缺陷，保持架是否有磨損，翻邊等缺陷。絕緣軸承絕緣層是否良好，絕緣層有無無明顯磨傷、剝離、疲勞起層等缺陷。軸承轉動是否靈活，有無明顯卡滯，軸承絕緣電阻是否符合要求。如有任何異常現象，都將影響到電機軸承壽命。

1.2 配件質量

機座、端蓋、軸承蓋、封環、轉軸等與軸承相關的配件的質量好壞對軸承的壽命起著至關重要的作用。組裝前，應認真檢查相關配件的外觀質量，如機座、端蓋、軸承蓋、轉軸軸承位不能有毛刺、磕碰、銹蝕、缺陷、變形等質量問題；配件尺寸不能有超差，尺寸公差應盡量符合正態分布。

在對返廠的1.5MW水冷風力發電機軸承故障的電機解體檢測中，發現有75%的端蓋軸承室及止口尺寸不合格，最后經評審后報廢處理。

1.3 潤滑脂的清潔度及添加量

在軸承裝配的過程中。由于裝配環境不清潔、轉軸軸承位有毛刺或高點、軸承和軸承前后端蓋清洗不干凈、人為因素使異物進入軸承，影響潤滑性能，甚至損壞軸承。這里所指的雜物不單是指那些肉眼可見的灰塵，肉眼看不到的微米級的微粒也會使軸承潤滑不良。

軸承潤滑的好壞還與軸承中添加的潤滑脂量密切相關。潤滑脂量太少，則難以形成油膜，且不能有效地帶走軸承內部因素摩擦或其他原因產生的熱量，而易損壞軸承。潤滑脂量太多，則潤滑脂會因攪拌發熱而發生變質、老化。所以，在給軸承添加潤滑脂時，要嚴格按設計和工藝的要求，控制潤滑脂加油量。為了便于軸承形成初始油膜，組裝時一般軸承腔內注滿潤滑脂，為了便于補充潤滑脂同時又避免軸承內潤滑脂過多而引起發熱，在軸承室內注入1/3～2/3潤滑脂。

1.4 軸承密封件的安裝質量

軸承密封裝置的作用是防止來自外部的塵埃、水分、金屬粉末等異物的侵入，防止軸承原有的潤滑脂泄露。當軸承內、外密封件安裝不到位或安裝傾斜時，將造成軸承的密封不嚴，就可能導致外部的塵埃、水分、金屬物等進入軸承，影響軸承潤滑，從而損壞軸承。

為了避免此類問題，操作者除組裝時嚴格按工藝步逐外，在組裝后，一定要檢查幾個配合部位是否到位、間隙是否均勻。

1.5 軸承裝配游隙

軸承的游隙是軸承的一個重要參數，它與軸承的壽命有著密切的關系。

由于制造的誤差、配合的公差、轉子軸頸彎曲、端蓋嚴重變形、端蓋與機座止口面及軸承與端蓋的配合面發生較大磨損等原因，組裝后軸承的外圈與內圈間發生扭斜，使正常的軸承間隙變小或不均勻。徑向游隙不均勻將導致軸承振動大、噪聲大，會影響軸承的性能、縮短其使用壽命。

我們模擬了1.5MW水冷風力發電機實際運行工況，對電機端蓋及軸承在不同溫度下尺寸變化情況進行了檢測，發現軸承的熱膨脹系數要大于端蓋材料的熱膨脹系數，端蓋軸承室與軸承之間的間隙與隨著溫度的上升會逐漸變小，當溫度繼續上升，間隙會消失甚至會產生過盈，說明設計所給的端蓋軸承室與軸承外圈間隙量偏小，應加大軸承室直徑。

電機組裝時，若用力不均勻，端蓋傾斜裝入，也容易使端蓋變形，造成軸承受力。為了防止端蓋在裝配過程中變形，裝配時應對稱用力，而且緊固螺栓的速度和力的大小應盡量相同。使端蓋平穩地裝配到機座上。

1.6 組裝過程中軸承零部件發生的損傷

由于風電轉子較長，且重量較重，總裝時，當傳動端軸承即將進入軸承室時，很難控制天車的速度，且轉子不易完全吊平，容易使軸承與軸承室相撞造成造成軸承異音，縮短軸承使用壽命；而且此軸承為絕緣軸承，軸承熱套或組裝時，如果損壞了絕緣層，在電機的運行過程中將會引起軸承的電蝕。

1.7 軸承電蝕

從返廠電機軸承故障現場實物看，部分軸承內外圈均有明顯電蝕痕跡存在，說明軸承在運行過程中有足夠大的軸電流通過，并對軸承造成了電蝕。

電機軸電流可由電機磁路不對稱、靜電積累、高頻電壓等原因產生，均可通過對采用絕緣軸承，和加裝接地系統進行防止。軸承絕緣系統及接地裝置能否正常工作是軸承避免軸電流損害的關鍵。

在對返廠電機檢測軸對地絕緣電阻，發現80%電機軸對地絕緣電阻≤10MΩ，檢測軸承蓋與封環間隙均≤0.1mm。部分電機接地碳刷破損，接地環嚴重燒損。從檢測結果來看，電機軸承的絕緣系統、接地電刷系統已局部或全部失效。

1.8 運行維護

是否按照設計要求及時正確加注潤滑脂，是否及時正確的進行接地電刷系統維護。

2.改進措施

2.1 加大端蓋軸承室與外圈間隙

將YJ93A軸承室直徑由加大了軸承室與軸承外圈的間隙量。

2.2 加大軸承蓋內孔尺寸

針對軸承蓋與封環間隙小的問題，將所有返修及新造電機軸承蓋內孔加大，前外軸承蓋內孔尺寸由Φ214.5+0.115改為Φ215+0.115，前內軸承蓋內徑由Φ179.5+0.063改制為Φ180+0.063，后內軸承蓋內徑由Φ178.5+0.063改制為 Φ179+0.063。電機總裝后要求用塞尺檢測軸承蓋與封環間隙≥0.4mm，用500V兆歐表檢測軸對地絕緣電阻要求≥100MΩ。

2.3 增加軸接地電刷系統

增加傳動端接地碳刷系統，增加接地系統的冗余度，通過售后服務人員加強對用戶培訓，嚴格按照電機維護要求進行操作，保證接地系統正常工作。

2.4 軸承加潤滑脂工藝改進

以往用手直接將潤滑脂涂入軸承內，一方面因軸承內圈與保持架間隙小，很難使潤滑脂完全充滿軸承內腔空間，這樣在軸承剛運行時難以建立油膜，容易出現干磨和磨損；另一方面手和空氣中的汗漬、水分及灰塵，使加入軸承內的潤滑脂不干凈，容易使軸承在運行時出現滾珠滑動現象，造成軸承異常振動、摩擦和磨損，影響軸承的使用壽命。

現在采用了軸承加脂設備，并在注油機上配備油脂流量表，潤滑脂用油槍從注油孔注入，在油槍的一定壓力作用下，連續進入軸承內腔并逐步充滿軸承滾珠之間的內腔空間，轉動軸承，充滿軸承的8個內腔空間。這樣在油膜建立以前滾動體與滾道面之間不會出現干磨和異常噪聲，也有利于油膜的建立，可以延長軸承的使用壽命。而且可以做到定量加油，保證軸承滾珠滾道內完全充滿潤滑脂，提高了軸承潤滑質量。

2.5 制作總裝導向套，提高裝配質量

為保證軸承能平行的安裝到端蓋軸承室內，且對軸承不造成沖擊，總裝時增加了用尼龍做的軸承導向套。

電機總裝時將導向套套到轉軸上，當軸承即將進入軸承室時，總裝導向套起導向作用,可有效避免軸承與軸承室撞擊，消除質量隱患，防止軸承異音，提高軸承壽命；

2.6 軸承加熱改進

以往烘軸承的烘箱因使用多年已老化，升溫時間特別慢，而且軸承在烘箱中存放混亂，不能有效利用空間，內部加熱為蒸發式加熱，使得軸承加熱程度受與熱源距離遠近的影響，經常使得軸承受熱不均勻，即使是同一個軸承溫差也高達50℃，嚴重影響軸承壽命

針對這一問題設計制作軸承存放架，軸承分兩排放置，有效地利用了空間，提高了熱循環效率。加熱系統一直處于循環風加熱狀態，避免了軸承受熱不均勻的現象；同時定期對軸承加熱溫度進行跟蹤，在軸承表面上貼上測溫紙，跟蹤同一烘箱內的軸承溫差及軸承實際溫度與設定溫度的差異，溫差可控制在10℃以內。

2.7 加強清潔作業

為防止總裝過程中有雜質、異物進入軸承潤滑脂，制作防護罩，將加好油的軸承用防護罩防護好，防止雜質進入，確保裝配質量；制作內外軸承蓋清潔作業臺，軸承蓋清洗后放在干凈的作業平臺上，確保配件清潔，無異物。

3.結束語

要提高軸承裝配質量和壽命，首先必須認識到組裝工藝對軸承壽命的影響，不斷地改進組裝工藝。我們通過軸承加潤滑脂工藝改進、制作總裝導向套、軸承加熱改進、清潔作業等措施，收到了良好的效果，但軸承故障問題仍是困擾我公司產品質量的一大難題，我們需繼續對軸承裝配工藝進行研究，徹底解決這一難題，提高我公司的產品質量。

[1]許實章主編.電機學[M].北京：機械工業出版社,1995.

[2]李發海,王巖編.電機與拖動基礎[M].北京：中央廣播電視大學出版社,1994.