風(fēng)電齒輪箱軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕的原因分析及預(yù)防措施

楊擴(kuò)嶺 趙愛龍

摘要：齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，而軸承是齒輪箱中的關(guān)鍵部件。風(fēng)電齒輪箱的長期放置和運(yùn)輸振動(dòng)過程，容易使軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕，嚴(yán)重的偽布氏壓痕將引起軸承滾動(dòng)體和套圈應(yīng)力集中，降低滾動(dòng)體和軸承套圈的斷裂強(qiáng)度，導(dǎo)致軸承損傷，損傷會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致齒輪箱產(chǎn)生噪聲，甚至引起齒輪箱劇烈振動(dòng)，存在使機(jī)組產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)通過對(duì)風(fēng)電齒輪箱軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕的案例進(jìn)行分析，指出了偽布氏壓痕的產(chǎn)生原因，并提供了檢測(cè)方法和預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電齒輪箱;軸承;偽布氏壓痕

0? ? 引言

齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的關(guān)鍵部件，常受到變載荷和強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊，軸承是齒輪箱中最薄弱的環(huán)節(jié)之一[1]。軸承損壞的原因有很多，如偽布氏壓痕、潤滑不良、裝配不對(duì)中、沖擊過載及自然磨損等。其中，偽布氏壓痕是一種常見的導(dǎo)致軸承損傷的因素，偽布氏壓痕的產(chǎn)生將導(dǎo)致軸承在壓痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中，遇沖擊載荷，軸承會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕、磨損，嚴(yán)重影響了軸承使用壽命[2]。本文基于齒輪箱產(chǎn)生偽布氏壓痕的案例，對(duì)偽布氏壓痕的產(chǎn)生進(jìn)行了原因分析，并提供了檢測(cè)方法和預(yù)防措施。

1? ? 軸承布式壓痕案例

1.1? ? 齒輪箱結(jié)構(gòu)形式及軸承介紹

目前雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱多是采用行星-平行軸混合傳動(dòng)的緊湊結(jié)構(gòu)形式[3]，隨著機(jī)組功率等級(jí)升高，齒輪箱所受載荷不斷增大，目前功率等級(jí)較小的齒輪箱結(jié)構(gòu)一般為一級(jí)行星加兩級(jí)平行軸，功率等級(jí)高的一般為兩級(jí)行星加一級(jí)平行軸。

齒輪箱輸入端為低速重載工況，一般采用帶擋邊的滿裝圓柱滾子軸承。軸承主要承受徑向載荷和部分軸向載荷，輸入端軸承需要承受主軸傳遞的扭矩和行星架組件自身的重力，承受的載荷高于中間級(jí)和高速級(jí)軸承。中間級(jí)和高速級(jí)一般采用圓柱滾子加兩個(gè)配對(duì)圓錐軸承，圓柱滾子軸承承受徑向載荷，配對(duì)圓錐滾子軸承承受軸向載荷和徑向載荷[4]。

1.2? ? 布式壓痕案例介紹

有一批庫存5年以上的某型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱，結(jié)構(gòu)為兩級(jí)行星加一級(jí)平行軸。由于齒輪箱一直存放在庫房中，為確認(rèn)齒輪箱內(nèi)部軸承和齒輪的狀態(tài)，對(duì)齒輪箱重新進(jìn)行了型式試驗(yàn)及拆箱檢查。齒輪箱拆解過程中發(fā)現(xiàn)齒輪箱部分軸承的外圈和滾動(dòng)體接觸處出現(xiàn)多條亮線，且部分亮線處用指甲劃過有明顯的觸感，這些亮線即為偽布氏壓痕。

拆檢后對(duì)軸承產(chǎn)生壓痕的情況進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)齒輪箱一級(jí)行星架上風(fēng)向的圓柱滾子軸承滾子和軸承內(nèi)圈均存在壓痕，壓痕有明顯觸感。二級(jí)行星和高速級(jí)軸承只有部分位置的軸承存在壓痕，且壓痕的觸感不明顯。

根據(jù)齒輪箱軸承的拆解對(duì)比結(jié)果，齒輪箱的一級(jí)行星架上風(fēng)向軸承均存在偽布氏壓痕，且觸感明顯;二級(jí)行星和高速級(jí)軸承只是部分位置的軸承產(chǎn)生了輕微壓痕，可見齒輪組件的承載越重，軸承越容易出現(xiàn)偽布氏壓痕。

2? ? 軸承偽布式壓痕產(chǎn)生原因分析

軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕是軸承滾子與滾道間產(chǎn)生微小振動(dòng)，滾動(dòng)體和滾道的接觸部分由于振動(dòng)和搖動(dòng)造成初期磨損，持續(xù)的微動(dòng)磨損在同一位置繼續(xù)發(fā)展，而產(chǎn)生的類似布氏壓痕的印痕。產(chǎn)生原因可能有配合過松、軸承選擇不當(dāng)、振動(dòng)沖擊等[5]。

齒輪箱發(fā)運(yùn)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊，可能導(dǎo)致軸承滾子和滾道間產(chǎn)生初期的振動(dòng)磨損。根據(jù)齒輪箱的存放要求，齒輪箱應(yīng)存放于沒有震動(dòng)的地方，如果存放時(shí)間超過6個(gè)月，應(yīng)注入一定量的潤滑油，盤動(dòng)齒輪箱，改變齒輪箱齒輪的嚙合位置及軸承滾子、滾道的相對(duì)位置，并使齒輪和軸承表面再次形成油膜，防止齒輪和軸承產(chǎn)生微動(dòng)破壞。齒輪箱實(shí)際存放過程中，車間無電動(dòng)盤車裝置，按照要求齒輪箱廠家須定期帶盤車裝置進(jìn)行齒輪箱的維護(hù)盤車，但實(shí)際存放過程中齒輪箱的維護(hù)盤車周期約為一年進(jìn)行一次，超出規(guī)定的時(shí)間范圍。且齒輪箱在車間廠房存放期間，車間進(jìn)行其他機(jī)組裝配，零部件的吊運(yùn)過程會(huì)導(dǎo)致車間地面產(chǎn)生震動(dòng)，因此導(dǎo)致齒輪箱內(nèi)部軸承滾子和內(nèi)外圈滾道之間產(chǎn)生微振，且齒輪箱為無油存放，軸承滾子和滾道間無潤滑油膜，齒輪箱的存放條件惡劣也導(dǎo)致了軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕。

綜上所述，齒輪箱存放及運(yùn)輸過程中軸承振動(dòng)和潤滑不良是齒輪箱軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕的主要原因。

3? ? 壓痕程度判定及預(yù)防措施

由于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱軸承使用工況特殊，一旦需要拆卸和更換軸承就要將齒輪箱下塔，更換成本較高，因此要求軸承能夠滿足20年的使用壽命。軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕后，在滾子和滾道上形成了初始磨損或凹坑，齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)造成軸承滾子和內(nèi)外圈之間產(chǎn)生應(yīng)力集中，特別是齒輪箱輸入端易產(chǎn)生偽布式壓痕的軸承，承受低速重載的過程中，凹坑處形成沖擊載荷，將嚴(yán)重縮短軸承壽命。因此，有必要制定合適的判斷方法確定出現(xiàn)偽布氏壓痕的軸承損壞程度，判斷其能否繼續(xù)使用，并制定合理的預(yù)防措施，有效防止軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕。

3.1? ? 壓痕程度判定

目前行業(yè)內(nèi)判定軸承偽布式壓痕的嚴(yán)重程度主要使用觸摸法，該方法是軸承廠家推薦的一種經(jīng)驗(yàn)法，具體方法是使用手指指肚去觸摸軸承表面，如果壓痕能夠被感覺到，則不能使用;如感覺不到則可以繼續(xù)使用。該方法僅能憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，無法定量對(duì)軸承損壞程度作出判定，且容易因?qū)嶋H操作人員對(duì)觸摸感覺的不同作出不同的判定結(jié)果。

為避免出現(xiàn)對(duì)軸承偽布式壓痕損傷程度作出誤判，抽取了5臺(tái)某型號(hào)機(jī)組齒輪箱，對(duì)一級(jí)行星架上風(fēng)向和二級(jí)行星架上、下風(fēng)向的軸承內(nèi)圈偽布式壓痕處進(jìn)行了粗糙度測(cè)量，并對(duì)壓痕處實(shí)測(cè)粗糙度值進(jìn)行了匯總對(duì)比，結(jié)合軸承廠家的建議，得出了使用粗糙度測(cè)量法對(duì)軸承出現(xiàn)偽布式壓痕的損壞程度作出判斷的經(jīng)驗(yàn)。

粗糙度測(cè)量法具體操作為：使用手持式粗糙度檢測(cè)儀檢測(cè)軸承粗糙度，將探針與被測(cè)表面貼合，檢測(cè)過程中使探針垂直于被測(cè)壓痕，然后讀取檢測(cè)儀器上的粗糙度值。由于該方法實(shí)施過程中探針與軸承表面的貼合度不同會(huì)影響測(cè)得的實(shí)際數(shù)值，因此每條壓痕重復(fù)測(cè)量5次，然后取測(cè)得粗糙度的平均值作為最終檢測(cè)結(jié)果。