大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承長(zhǎng)途運(yùn)輸過程中的損傷原因分析及預(yù)防措施

李進(jìn)澤，佘寶瑛，梅榮海，陳國(guó)旗，閆曉凡

(中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000)

風(fēng)電軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，軸承性能直接影響風(fēng)電機(jī)組的安全和運(yùn)行可靠性。

實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)軸承電腐蝕、溫升高及運(yùn)輸過程中的壓痕是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的典型故障。軸承電腐蝕問題主要由變流器產(chǎn)生的軸電流產(chǎn)生，可通過以下措施改善：1)傳動(dòng)端軸上安裝接地碳刷， 導(dǎo)走軸上部分電流； 2)采用絕緣軸承或絕緣端蓋，阻隔軸電流[1-4]。通過優(yōu)化潤(rùn)滑脂、改進(jìn)排脂結(jié)構(gòu)和定期維護(hù)等，溫升高現(xiàn)象得到明顯改善[5-6]。運(yùn)輸過程中的壓痕問題一直未得到有效解決。

隨雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)朝大功率方向發(fā)展，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子越來越大，傳統(tǒng)2套深溝球軸承的布置方案已不能滿足要求，需采用承載能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)的“1套深溝球軸承+2套圓柱滾子軸承”的布置方案。該方案對(duì)運(yùn)輸過程中的防護(hù)要求極高，傳統(tǒng)防護(hù)方案軸承易損傷，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行初期軸承出現(xiàn)異響，故有必要對(duì)運(yùn)輸過程中的軸承損傷原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承損傷特征

1.1 軸承布置方案

3 MW級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)三軸承布置方案如圖1所示，傳動(dòng)端采用1套6034深溝球軸承+1套NU1034圓柱滾子軸承，非傳動(dòng)端采用1套NU1034圓柱滾子軸承，球軸承主要承受軸向載荷，圓柱滾子軸承主要承受徑向載荷，軸承均采用脂潤(rùn)滑。

(a)傳動(dòng)端 (b)非傳動(dòng)端

1.2 軸承異響頻譜

部分雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行初期軸承出現(xiàn)異響，檢測(cè)軸承振動(dòng)頻譜，發(fā)現(xiàn)2套圓柱滾子軸承存在不同程度的損傷，典型損傷特征頻譜如圖2所示，存在內(nèi)圈故障基頻及其倍頻成分，說明內(nèi)圈存在故障。

圖2 圓柱滾子軸承振動(dòng)頻譜圖

1.3 軸承損傷類型

圓柱滾子軸承拆解圖如圖3所示，內(nèi)圈滾道面中部區(qū)域出現(xiàn)沿周向分布的線狀壓痕，部分壓痕明顯，壓痕間距等于滾子間距。

圖3 圓柱滾子軸承拆解圖

參考GB/T 24611—2020《滾動(dòng)軸承 損傷和失效 術(shù)語、特征及原因》，周期性振動(dòng)時(shí)，彈性接觸面的微小運(yùn)動(dòng)或回彈將導(dǎo)致非旋轉(zhuǎn)軸承的滾動(dòng)體和滾道接觸區(qū)域出現(xiàn)偽壓痕。根據(jù)振動(dòng)強(qiáng)度、載荷和潤(rùn)滑條件的不同，會(huì)在滾道上形成凹陷，大多數(shù)情況下也會(huì)導(dǎo)致腐蝕和磨粒磨損。圖3軸承損傷特征與GB/T 24611標(biāo)準(zhǔn)中描述的軸承損傷特征一致，為運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的偽壓痕。

2 運(yùn)輸過程中軸承損傷原因分析

2.1 運(yùn)輸防護(hù)不足

雙球軸承布置結(jié)構(gòu)運(yùn)輸防護(hù)方案如圖4所示，用2根M16螺桿將槽鋼壓板與端蓋連接固定，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)軸端面的軸向壓緊固定(緊固力矩為50 N·m)，以防止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)。

圖4 雙球軸承布置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸防護(hù)方案

軸向壓緊裝置可產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力為

(1)

式中：T為緊固力矩；η為扭矩系數(shù)，近似取0.2；d為螺紋公稱直徑。

軸向預(yù)緊力可有效抑制轉(zhuǎn)子軸向振動(dòng)，且可使內(nèi)圈和球相對(duì)外圈移動(dòng)，確保球與內(nèi)、外圈滾道面在徑向和軸向振動(dòng)下不分離，如圖5所示。由(1)式可得Fa=15.6 kN,約為球軸承額定靜載荷的0.1倍，參考《SKF軸承綜合型錄》，該預(yù)緊力不會(huì)導(dǎo)致球軸承靜態(tài)下產(chǎn)生塑性變形而損壞：該軸向壓緊裝置可避免球軸承在軸向、徑向方向振動(dòng)下產(chǎn)生偽壓痕。

圖5 球軸承軸向預(yù)緊狀態(tài)

該軸向壓緊裝置與轉(zhuǎn)軸端面產(chǎn)生的摩擦力矩為

(2)

式中：R為轉(zhuǎn)軸端面半徑，取75 mm；μ為摩擦因數(shù)，取0.15。

由(2)式可得M=115 N·m,經(jīng)計(jì)算分析該摩擦力矩可有效抑制轉(zhuǎn)子周向方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，避免球軸承在周向方向產(chǎn)生微小擺動(dòng)。

三軸承布置的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸防護(hù)方案借鑒了雙球軸承布置結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 三軸承布置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸防護(hù)方案

該軸向壓緊裝置在端面產(chǎn)生的徑向摩擦力為

Ff=μFa，

(3)

由(3)式可得Ff=2.3 kN,經(jīng)計(jì)算分析該摩擦力不足以抑制質(zhì)量約3 000 kg，長(zhǎng)3 m的轉(zhuǎn)子在徑向方向的振動(dòng)。轉(zhuǎn)子受力如圖7所示，當(dāng)運(yùn)輸過程中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的徑向振動(dòng)較大，產(chǎn)生的徑向力超過轉(zhuǎn)動(dòng)部件自重和軸向壓緊工裝產(chǎn)生的徑向摩擦力總和，即F1>Ff+G0+G1+G2(F1為運(yùn)輸過程中由于振動(dòng)產(chǎn)生的徑向力，G0為轉(zhuǎn)子重量，G1為半聯(lián)軸器重量，G2為滑環(huán)重量)時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)在兩端圓柱滾子軸承徑向安裝游隙范圍內(nèi)振動(dòng)，套圈與滾子接觸區(qū)域產(chǎn)生微動(dòng)磨損，以上過程若反復(fù)進(jìn)行，軸承滾道面上會(huì)產(chǎn)生偽壓痕。

圖7 轉(zhuǎn)子受力圖

軸向壓緊裝置產(chǎn)生的徑向摩擦力和轉(zhuǎn)子及各部件的重力之和只能抑制轉(zhuǎn)子徑向約11 m/s2的振動(dòng)，實(shí)際運(yùn)輸過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向振動(dòng)值持續(xù)超過該值時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)反復(fù)振動(dòng)，從而使軸承滾道面產(chǎn)生偽壓痕：故該方案不能滿足三軸承布置雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)輸要求。

2.2 運(yùn)輸防護(hù)和駕駛操作不規(guī)范

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝車后，要求通過綁帶將發(fā)電機(jī)處吊耳緊固在車箱側(cè)面底板上。實(shí)際運(yùn)輸中發(fā)現(xiàn)綁帶松動(dòng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生移動(dòng)，振動(dòng)增大，加劇了軸承損傷。此外，運(yùn)輸過程中急加速、急減速、轉(zhuǎn)彎、過減速帶及坑洼路面時(shí)不提前減速等，均會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)振動(dòng)增大，加劇軸承損傷。

通過振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)整個(gè)運(yùn)輸過程中的振動(dòng)情況，如圖8所示，最大瞬時(shí)振動(dòng)加速度超過100 m/s2。

圖8 某風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸過程中的振動(dòng)情況

3 預(yù)防措施及效果

3.1 預(yù)防措施

1)在原軸承運(yùn)輸防護(hù)工裝的基礎(chǔ)上，在傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端轉(zhuǎn)軸空隙處分別增加y方向豎直向下的綁扎拉力F2和F3，如圖9所示，以增加向下的合力，抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的徑向振動(dòng)，減小轉(zhuǎn)子在兩端圓柱滾子軸承徑向游隙范圍內(nèi)的振動(dòng)。增加F2和F3，需滿足

圖9 優(yōu)化后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸防護(hù)方案

F1

(4)

2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝車后，通過綁帶將其緊固在車箱側(cè)面底板上，同時(shí)將其運(yùn)輸?shù)鬃圀w綁緊，防止運(yùn)輸過程中發(fā)生移動(dòng)，減小整體振動(dòng)。

3)要求司機(jī)操作規(guī)范化，對(duì)高速公路，城市及市區(qū)道路，轉(zhuǎn)彎道路，急轉(zhuǎn)彎、過減速帶及坑洼路面車速進(jìn)行規(guī)定，見表1，運(yùn)輸過程中嚴(yán)禁頻繁急加、減速，盡量保持勻速行駛。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)途公路運(yùn)輸過程中速度要求

3.2 效果

為驗(yàn)證改進(jìn)效果，在2臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)上安裝振動(dòng)傳感器，測(cè)得運(yùn)輸約3 500 km過程中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)如圖10所示，明顯優(yōu)于改善前，最大瞬時(shí)振動(dòng)加速度不超過20 m/s2。

圖10 優(yōu)化運(yùn)輸方案后風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸過程中的振動(dòng)情況

對(duì)運(yùn)輸后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，軸承振動(dòng)頻譜圖如圖11所示，無軸承故障特征頻率及其倍頻。拆解試驗(yàn)后的軸承如圖12所示，沒有發(fā)現(xiàn)偽壓痕等損傷。采用優(yōu)化運(yùn)輸方案將風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸?shù)娇傃b基地后， 手動(dòng)盤動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸，軸承無異響。上述分析說明優(yōu)化的運(yùn)輸方案可以滿足三軸承布置的大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)輸要求。

圖11 優(yōu)化運(yùn)輸方案的風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)頻譜圖

圖12 優(yōu)化運(yùn)輸方案的風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承拆解圖

4 結(jié)束語

分析了大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)途運(yùn)輸過程中的軸承損傷原因，以此為基礎(chǔ)優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸防護(hù)方案，并規(guī)定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)途公路運(yùn)輸過程中的車速，新的方案可有效解決三軸承布置的大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸過程中的軸承損傷問題，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠運(yùn)行。