對(duì)某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承故障的原因分析

張軍昌

摘要 某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)在生產(chǎn)試運(yùn)行期間，先發(fā)生風(fēng)機(jī)葉片變槳軸承卡死故障，后又有多臺(tái)風(fēng)機(jī)因變槳軸承故障停機(jī)事故，經(jīng)過(guò)查找原因分析，為風(fēng)機(jī)葉片變槳軸承失效所致，最后采取對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)變槳軸承進(jìn)行更換，通過(guò)此次事故的處理，給我們留下很多反思。

關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；變槳軸承；故障；原因分析

中圖分類號(hào) TM3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào)2095-6363（2015）10-0110-02

1 事故經(jīng)過(guò)

海鹽中電工程風(fēng)電場(chǎng)安裝20臺(tái)浙江運(yùn)達(dá)公司生產(chǎn)的WD115-2000型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)塔筒高度90米，葉片長(zhǎng)度56.5米，葉輪直徑115米，此機(jī)型在全國(guó)首次大批量投入使用，是新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，2014年1月份20臺(tái)風(fēng)機(jī)全部并網(wǎng)發(fā)電；自2015年2月份以來(lái)，先后有10余臺(tái)風(fēng)機(jī)多次發(fā)生變槳系統(tǒng)故障停機(jī)，主要故障有風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)過(guò)電流、兩槳葉槳距角差值過(guò)大等使風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行。

2015年3月11日23：30分，運(yùn)行中的#17風(fēng)機(jī)監(jiān)控后臺(tái)報(bào)：安全鏈故障、變槳電機(jī)過(guò)電流、槳距角差值過(guò)大故障停機(jī)，在風(fēng)機(jī)監(jiān)控后臺(tái)復(fù)歸無(wú)效，風(fēng)機(jī)無(wú)法運(yùn)行。

3月12日風(fēng)機(jī)廠家檢查發(fā)現(xiàn)變槳電機(jī)有焦糊味，測(cè)量電機(jī)絕緣電阻為零，判斷電機(jī)已燒壞，隨后進(jìn)行更換變槳電機(jī)工作，更換新電機(jī)后仍不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

3月13日風(fēng)機(jī)廠家繼續(xù)排查變槳電機(jī)燒壞的原因，未找到原因，初步判斷懷疑變槳減速箱的故障可能性較大，通知南京高速齒輪廠家人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查處理。

3月14日南京高速齒輪廠家人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片變槳系統(tǒng)減速箱解體檢查，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)齒輪箱有問(wèn)題。

3月15日風(fēng)機(jī)廠家對(duì)卡死的變槳電機(jī)采取更換編碼器，更換變槳電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等措施處理，結(jié)果葉片不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

3月20日變槳軸承廠家技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)檢查評(píng)定變槳軸承已經(jīng)卡死，需返廠檢查，查找原因。

2 處理措施

針對(duì)#17風(fēng)機(jī)變槳軸承已卡死，不能轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，在風(fēng)機(jī)高空無(wú)法進(jìn)行處理，需將風(fēng)機(jī)輪轂及葉片下塔后對(duì)卡死的軸承進(jìn)行檢查，更換處理，由風(fēng)機(jī)廠家編制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承更換方案，組織專業(yè)風(fēng)機(jī)吊裝施工公司進(jìn)行吊裝及更換，2015年4月1日-8日對(duì)#17風(fēng)機(jī)三只葉片變槳軸承進(jìn)行更換，并將更換下的軸承送至軸承廠家進(jìn)行撤解檢測(cè)。

3 軸承撤解分析

4月21日至4月24日，從中電工程海鹽風(fēng)電場(chǎng)返廠的#3風(fēng)機(jī)三個(gè)變槳軸承在幾方共同見(jiàn)證下在瓦軸工廠進(jìn)行拆解檢測(cè)工作。經(jīng)過(guò)拆解發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中卡死的軸承保持架斷裂為三段，另外兩個(gè)運(yùn)行中未出現(xiàn)異響且現(xiàn)場(chǎng)未報(bào)過(guò)故障的軸承保持架也分別斷裂為兩段和有一處斷裂，具體情況如下。

3.1 編號(hào)2014-09-16變槳軸承運(yùn)行時(shí)卡死，現(xiàn)場(chǎng)拆解發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題

1）啟動(dòng)力矩：拆解前對(duì)啟動(dòng)力矩進(jìn)行檢測(cè)，啟動(dòng)力變化區(qū)間在597～810KG。

2）保持架：拆解之后發(fā)現(xiàn)上列保持架斷裂三段（槳葉側(cè)），下列保持架基本保存完好。

3）滾道：雙滾道都存在壓痕，滾道接觸點(diǎn)向外側(cè)發(fā)生偏移，上滾道下半圓弧存在壓潰，凸起約1.5mm；內(nèi)圈橢圓度為0.67mm，外圈橢圓度為0.70mm，滾道硬度約為59-61HRC。

3.2 編號(hào)2014-09-18變槳軸承運(yùn)行時(shí)無(wú)異響，現(xiàn)場(chǎng)拆解發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題

1）啟動(dòng)力矩：整體力為585～620KG，除去密封圈啟動(dòng)力為156～189KG，上下單排啟動(dòng)力分別110～132KG/102～112KG。

2）保持架：拆解之后發(fā)現(xiàn)上列保持架斷裂一段（槳葉側(cè)），油脂發(fā)黑，下列保持架基本保存完好，油脂保持原色。

3）軸徑向跳動(dòng)分別為0.16/0.20mm，齒跳為0.35mm，內(nèi)圈安裝孔槳葉側(cè)端面存在2處壓痕，與螺栓分度圓相切處并沿軸向存在幾處6～7cm長(zhǎng)的拉痕。

4）淬火情況：硬度約60HRC，淬火深度為3.7～4.2mm。

3.3 編號(hào)2014-09-17變槳軸承運(yùn)行時(shí)無(wú)異響，現(xiàn)場(chǎng)拆解發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題

1）啟動(dòng)力矩：整體力為727～950KG，除去密封圈啟動(dòng)力為223～270KG。

2）保持架：拆解之后發(fā)現(xiàn)上列保持架斷裂二段（槳葉側(cè)），油脂發(fā)黑，下列保持架基本保存完好，油脂發(fā)黑。

3.4 針對(duì)軸承拆解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，可以認(rèn)為軸承存在批量質(zhì)量問(wèn)題。風(fēng)機(jī)廠家提出以下看法

1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)軸承滾道淬火層厚度不符合設(shè)計(jì)圖紙要求，瓦軸方面應(yīng)從加工工藝方面排查保持架變形斷裂原因。

2）瓦軸需測(cè)量保持架的大小與軸承滾道是否匹配。

3.5 瓦軸方面提出以下看法

1）從目前拆解的四個(gè)軸承的損壞情況來(lái)看，軸承存在批量質(zhì)量問(wèn)題。要求風(fēng)機(jī)廠家重新提供葉片載荷原始數(shù)據(jù)和軸承與輪轂、葉片與輪轂之間相關(guān)連接件的參數(shù)，以便瓦軸從設(shè)計(jì)上重新進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，確定是否存在設(shè)計(jì)缺陷。

2）由于拆解軸承中發(fā)現(xiàn)與葉片連接螺栓面存在明顯的磨損痕跡和螺紋變形現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)廠家應(yīng)排查葉片現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝是否存在問(wèn)題。

3）瓦軸提出下次更換軸承時(shí)需到海鹽風(fēng)電場(chǎng)全程參與軸承拆卸過(guò)程并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軸承檢測(cè)，具體形式待各方協(xié)商后確定。

4 軸承分析結(jié)論

為查找變槳軸承卡死根本原因，軸承廠家成立了專項(xiàng)工作組，對(duì)返廠的變槳軸承進(jìn)行細(xì)致的檢驗(yàn)與分析，開(kāi)展了包括外觀檢查、金相檢驗(yàn)及模擬分析等大量工作。

1）軸承外觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：滾道表面存在多條軸向壓痕，鋼球與外圈滾道、內(nèi)圈滾道接觸軌跡均偏向溝口部位，溝口出現(xiàn)擠壓變形，保持架斷口位于兜孔中部?jī)蓚?cè)，其截面呈典型的受較大拉力引起的斷裂形貌，與斷口部位相鄰的兜孔中部?jī)蓚?cè)亦存在不同程度的拉伸變形。

2）熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)：對(duì)外圈滾道局部取樣檢驗(yàn)，結(jié)果顯示滾道淬火不均，溝口部位淬火硬化層深度較淺，距擋邊約4mm處未淬火。

3）軸承失效機(jī)理分析：經(jīng)檢驗(yàn)，故障軸承滾道表面存在多條軸向壓痕，痕跡延伸至溝口邊緣。軸承在較大的覆力矩作用下，鋼球產(chǎn)生向滾道溝口處偏移的趨勢(shì)。由于溝口處淬火硬化層沒(méi)有到達(dá)擋邊，未淬火處距擋邊月4mm，致使該區(qū)域滾道接觸強(qiáng)度不足，無(wú)法對(duì)鋼球起到有效支撐進(jìn)而引起變形，隨變形量不斷加大，鋼球向溝口部位偏移的程度亦逐加重，直至擠壓溝口邊緣并使該區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的變形。溝道嚴(yán)重變形后，阻礙了鋼球的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使得鋼球在進(jìn)、出承載區(qū)時(shí)轉(zhuǎn)速不均。經(jīng)模擬分析，兜孔中部?jī)蓚?cè)為保持架強(qiáng)度相對(duì)較弱部位，該部位受到鋼球間因轉(zhuǎn)速不同產(chǎn)生的拉伸力反復(fù)作用，逐漸變形并萌發(fā)裂紋，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展為開(kāi)裂。

此批次變槳軸承失效為套圈滾道淬火質(zhì)量不合格所致。對(duì)該批次變槳軸承進(jìn)行更換處理。

5 結(jié)論與建議

風(fēng)力發(fā)電作為一種新型清潔能源，在國(guó)際上得到很多國(guó)家的認(rèn)可，是優(yōu)先的能源發(fā)展方向，近幾年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)發(fā)展較快，已成為全球第一風(fēng)機(jī)裝機(jī)大國(guó)，僅國(guó)家能源局列入“十二五”第五批風(fēng)電核準(zhǔn)計(jì)劃的項(xiàng)目共計(jì)3400萬(wàn)千萬(wàn)，這還不包括新疆、吉林、遼寧等棄風(fēng)限電較大的地區(qū)；這就導(dǎo)致風(fēng)機(jī)供不應(yīng)求，風(fēng)機(jī)廠家在選配件時(shí)，沒(méi)有主動(dòng)權(quán)，這就使近幾年來(lái)風(fēng)機(jī)大部件多次出現(xiàn)批次質(zhì)量問(wèn)題，給風(fēng)機(jī)廠家、生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此，對(duì)風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家有以下建議。

1）風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家面對(duì)當(dāng)今激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，一定要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)把風(fēng)機(jī)配件關(guān)，如質(zhì)量關(guān)把不好，這將給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的災(zāi)難。

2）風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家要重視研發(fā)，從資金、技術(shù)、人力方面加大投入，適應(yīng)市場(chǎng)需求；對(duì)新研發(fā)機(jī)型，從模型、樣機(jī)，到投入批量生產(chǎn)，要經(jīng)過(guò)充分的設(shè)計(jì)、論證、變更、優(yōu)化等步驟進(jìn)行，在國(guó)外一種新機(jī)型從研發(fā)到投入批量生產(chǎn)至少需要3-5年的時(shí)間，而在國(guó)內(nèi)做此項(xiàng)工作時(shí)間只有1-2年就進(jìn)入批量生產(chǎn)，應(yīng)用時(shí)間太短，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，變更、優(yōu)化、糾正的難度很大，這也給后續(xù)生產(chǎn)埋下隱患。