主軸系后竄故障機理分析
2025-08-09
作者：梁雪
風電機組主軸系竄動一直是影響機組正常運行的疑難雜癥。主軸系軸向竄動可能會損傷到齒輪箱里其他零部件，造成齒輪箱失效，進而直接或間接的導致機組停機。受設(shè)計條件和現(xiàn)場湍流因素的影響，主軸系竄動問題很難得到根治，一些主機廠將該問題視作需要進行嚴格控制的故障參數(shù)。一旦出現(xiàn)，主軸系竄動量超過極限，將導致主軸承、齒輪箱失效，此類事故已在風電場屢屢出現(xiàn)。
在現(xiàn)場勘察調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，已投入使用10年的1.5MW風電機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風電機組主軸系統(tǒng)采用的是雙列調(diào)心滾子軸承，同時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，造成滾子過多的打滑，加上潤滑不良使材料發(fā)生從點蝕到粘附剝落，座圈和滾子以及保持架受力不均發(fā)生變形、卡死等常見故障。這些都會造成主軸系后竄影響風電機組正常運行。如圖所示，通過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（遠離風輪側(cè)滾道為第1列，靠近風輪側(cè)滾道為第2列）受損程度明顯高于第2列滾道，該軸承長期處于第1列滾動體單邊承載狀態(tài)；在沖擊軸向載荷作用下，中隔圈與第1列滾動體受力點處嚴重剝落失效，最終導致主軸系后竄。因此，從實際工程意義和經(jīng)濟價值角度出發(fā)，有必要進一步確定機組軸承滾道損傷機制以及主軸系后竄故障機理，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，風電機組主軸系統(tǒng)中軸承的潤滑問題也可能引發(fā)后竄故障。滾動軸承大多用潤滑脂潤滑，潤滑脂的失效一度被認為是軸承失效的主要原因。潤滑脂由基礎(chǔ)油、添加劑和增稠劑微觀結(jié)構(gòu)組成，充當儲油器，緩慢釋放油以補充接觸。因風電機組經(jīng)常在極端環(huán)境下運行，主軸系統(tǒng)中的各個部件要承受較大的負載和振動。例如：調(diào)心滾子軸承中滾子發(fā)生偏移或磨損，容易導致主軸系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。
目前在運行的風電機組主軸軸承的潤滑方式主要有兩種：潤滑脂潤滑及壓力潤滑油潤滑，其中使用潤滑脂潤滑比例較高。風輪的轉(zhuǎn)速一般在10-20轉(zhuǎn)/分，低轉(zhuǎn)速導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兩個金屬表面，則潤滑沒有達到預定的效果，軸承就會發(fā)生早期磨損，產(chǎn)生材料剝落的損傷，發(fā)生半干滑動摩擦，繼而導致軸承跑圈。壓力潤滑方式對改善軸承的工作條件十分有利，除了及時形成油膜保護滾道滾子之外，還能帶走熱量和磨粒。
根據(jù)以往風電機組主軸后竄故障的發(fā)生，得出主軸軸承的磨損是導致主軸后竄的主要原因之一。由于風力發(fā)電機主軸系統(tǒng)長時間處于低速重載的條件下進行工作，主軸軸承容易受到磨損。隨著磨損程度的加劇，主軸的運轉(zhuǎn)會變得不穩(wěn)定，從而引發(fā)后竄故障。因此，定期檢查和維護主軸軸承是保障主軸系統(tǒng)正常運行的重要措施之一。
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，導致滾子溢出，使風電機組主軸系出現(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)域整個圓周表面，對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，導致其承載無效的接觸載荷以及內(nèi)隔圈與軸承內(nèi)圈對滾子的擠壓載荷；前排滾子中后端呈灰暗色、淡黃色相間環(huán)形條紋，延伸至滾動體該區(qū)域整個圓周，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力集中導致產(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力集中導致產(chǎn)生裂紋或剝落。
因此，針對尚在服役期內(nèi)的1.5MW風電機組，理清其主軸系統(tǒng)后竄故障機理，從而探究緩解風電機組主軸系后移的解決辦法是至關(guān)重要的。
來源：中科經(jīng)創(chuàng)智慧能源
（版權(quán)歸原作者或機構(gòu)所有）
