風(fēng)機(jī)主軸在役超聲檢測(cè)技術(shù)研究

曹洪兵

(東方電氣風(fēng)電有限公司質(zhì)量管理部，四川618000)

由于某些原因，風(fēng)場(chǎng)用戶對(duì)我公司在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組主軸質(zhì)量產(chǎn)生了質(zhì)疑。要求我公司對(duì)主軸進(jìn)行檢測(cè)，并出具檢測(cè)報(bào)告，證明運(yùn)行主軸不存在質(zhì)量隱患。若不能提供檢測(cè)證明，則需對(duì)正在運(yùn)行的主軸進(jìn)行更換。

針對(duì)該情況，我公司組織人員與主軸廠家進(jìn)行了溝通交流，明確主軸的在役檢測(cè)必須完成的要求，否則主軸的更換將導(dǎo)致巨額的吊裝、安裝費(fèi)用，引發(fā)一系列問(wèn)題，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和聲譽(yù)損失。

因此，我公司聯(lián)合主軸廠家對(duì)主軸在役檢測(cè)展開了一系列研究。

1 風(fēng)機(jī)主軸介紹

1.1 風(fēng)機(jī)主軸的作用

風(fēng)機(jī)主軸作為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備三大重要部件之一，是連接風(fēng)機(jī)葉片與風(fēng)機(jī)機(jī)艙的重要部件，其技術(shù)系數(shù)、力學(xué)性能要求高，強(qiáng)度、塑性指標(biāo)高，形位公差和尺寸公差要求嚴(yán)格，必須保證在較嚴(yán)酷的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)30年，而且機(jī)件無(wú)腐蝕。

1.2 主軸的主要生產(chǎn)過(guò)程

風(fēng)機(jī)主軸是中空的，材質(zhì)是不銹鋼，內(nèi)孔加工比較困難，現(xiàn)在風(fēng)機(jī)主軸的加工設(shè)備是深孔鉆鏜床，根據(jù)風(fēng)機(jī)主軸的特性，深孔鉆鏜床要加高床頭。

1.3 主軸的工作狀況

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主軸既有徑向偏移，又有軸向偏移。實(shí)際上，主軸的軸向偏移直接傳遞到齒輪箱的輸入軸。除非對(duì)調(diào)心滾子軸承的徑向間隙、軸向間隙控制以及行星輪的定位做特別處理，否則軸向的偏移會(huì)對(duì)齒輪箱里行星架支撐軸承產(chǎn)生不利的影響。

主軸的軸向偏移取決于系統(tǒng)的剛性和固定端軸承的內(nèi)部游隙。在固定端使用預(yù)緊的雙列圓錐滾子軸承后，主軸右端的軸向偏移幾乎比使用調(diào)心滾子軸承時(shí)減少4倍。減小軸向偏移可以減小軸向擠壓齒輪箱輸入軸的風(fēng)險(xiǎn)，這點(diǎn)非常重要。

在一端固定、一端浮動(dòng)的軸承布置情況下，固定端軸承(雙列圓錐滾子軸承或調(diào)心滾子軸承)同時(shí)承受徑向力和軸向力，而浮動(dòng)端軸承(圓柱滾子軸承或調(diào)心滾子軸承)只承受徑向力。因?yàn)檩S向力作用方向是從轉(zhuǎn)子端指向齒輪箱端的，因此不管是使用雙列圓錐滾子軸承還是使用調(diào)心滾子軸承，只有靠近齒輪箱一端的一列滾子承受所有的軸向力。

2 在制主軸的檢測(cè)分析

主軸在生產(chǎn)過(guò)程中，為了控制主軸內(nèi)部質(zhì)量和表面缺陷，主要采用超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)，其檢測(cè)要求見表1。在制主軸超聲檢測(cè)示意圖見圖1。

3 主軸在役檢測(cè)分析研究

3.1 在役主軸檢測(cè)方式的選取

對(duì)比分析在制主軸檢測(cè)要求，以超聲檢測(cè)手段為主，磁粉檢測(cè)為輔助。鑒于主軸運(yùn)行特點(diǎn)，選取超聲檢測(cè)作為發(fā)現(xiàn)在役主軸內(nèi)部缺陷的檢查手段，取消磁粉檢測(cè)。

3.2 在役主軸超聲檢測(cè)分析

表1 在制主軸無(wú)損檢測(cè)要求Table 1 Non-destructive test requirements to the main shaft in manufacturing

圖1 在制主軸超聲檢測(cè)示意圖Figure 1 Schematic diagram of ultrasonic test of main shaft in manufacturing

主軸在制時(shí)，因其未進(jìn)行裝配，主軸各位置無(wú)任何限制，可以從主軸各部位進(jìn)行100%檢測(cè)。但主軸裝配到風(fēng)電機(jī)組之后，由于其結(jié)構(gòu)限制，進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，存在以下困難：

(1)高空作業(yè)，設(shè)備攜帶困難。主軸在役時(shí)，放置于塔筒頂部，離地約70 m，超聲波儀器攜帶困難。

(2)操作空間狹窄。風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)部，空間結(jié)構(gòu)緊密，若進(jìn)行拆卸處理，則會(huì)產(chǎn)生巨額的吊裝費(fèi)用。在該狀況下對(duì)主軸進(jìn)行檢測(cè)，操作空間十分狹小。

(3)主軸可接觸面積小。由于主軸處于機(jī)艙內(nèi)，裸露部分少，進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，探頭接觸面積少，無(wú)法達(dá)到在制檢查時(shí)的100%面積。

3.3 在役主軸超聲檢測(cè)方案

結(jié)合以上困難，我與主軸廠家技術(shù)人員進(jìn)行了溝通交流。分析了主軸運(yùn)行過(guò)程的受力情況和可能產(chǎn)生的缺陷，努力尋找克服以上困難的措施。

結(jié)合主軸結(jié)構(gòu)尺寸情況，進(jìn)行了以下對(duì)比試驗(yàn)：

(1)未安裝的主軸檢測(cè)情況。

因結(jié)構(gòu)而形成的回波，見圖2。

(2)安裝軸承后的檢測(cè)情況。

安裝軸承座后對(duì)軸承連接處進(jìn)行掃查，未發(fā)現(xiàn)界面回波，即軸承安裝后，對(duì)工件輪廓回波無(wú)干擾、無(wú)影響。

(3)人工對(duì)比試塊試驗(yàn)。

圖2 主軸因結(jié)構(gòu)而形成的反射回波Figure 2 Reflection echo formed by the structure of main shaft

圖3 人工對(duì)比試樣圖Figure 3 Comparison of sample

圖4 人工刻槽形成的反射回波Figure 4 Reflection echo formed by artificial groove

在同直徑的軸身切取不同深度的線性槽，距離端面500 mm處，槽深為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，分別間距90°角，見圖3。檢測(cè)結(jié)果顯示，各深度刻槽波形能清晰顯示。

對(duì)裸軸上R處下方80 mm位置進(jìn)行人工刻槽，形成的反射回波見圖4。

3.4 檢測(cè)方案

通過(guò)以上試驗(yàn)，確定以下檢測(cè)方案：

(1)通過(guò)主軸法蘭斷面，對(duì)主軸進(jìn)行整軸兩次穿透掃查，觀察主軸底面回波的情況，檢驗(yàn)整體晶粒度情況和軸承支撐處是否開裂及開裂程度。

(2)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)參照?qǐng)?zhí)行JB/T 4730.3—2005中7.2條，模擬裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

(3)檢測(cè)由取得II級(jí)或以上超聲檢測(cè)資質(zhì)，并有豐富鍛件檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，熟悉了解風(fēng)機(jī)安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)情況，能正確區(qū)分在役檢測(cè)中外來(lái)影響因素的人員執(zhí)行。

(4)儀器設(shè)備采用分辨率高、精確度好的德國(guó)KK公司USN60探傷儀及B2S縱波直探頭。

(5)掃查部位：風(fēng)機(jī)主軸法蘭側(cè)端面；中心孔?720 mm范圍內(nèi)。

(6)靈敏度調(diào)節(jié)：以風(fēng)機(jī)主軸法蘭側(cè)295 mm處平臺(tái)為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)底面反射波至基準(zhǔn)波高(60%～80%)，在此基礎(chǔ)上提高30～42 dB；視工件晶粒情況、底面回波高度而定，確保信噪比≥6 dB；以風(fēng)機(jī)主軸法蘭處厚度為基準(zhǔn)，多次底波法調(diào)節(jié)，目標(biāo)要發(fā)現(xiàn)1 mm刻槽波高。

(7)掃查：按鍛件檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定速度、重疊比例進(jìn)行掃查。

(8)記錄：記錄所有超過(guò)10%的缺陷信號(hào)；對(duì)于20%以上波高應(yīng)按端點(diǎn)6 dB法測(cè)定其范圍。

(9)采用機(jī)油作為耦合劑。

4 結(jié)束語(yǔ)

該方案是結(jié)合了在制和在役主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分考慮在役主軸的工作狀況，并進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析和試驗(yàn)。方案內(nèi)容成功避開了在役主軸的結(jié)構(gòu)限制，充分把握了主軸運(yùn)行后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)主軸的運(yùn)行工況和可能產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行了檢測(cè)，能夠發(fā)現(xiàn)在役主軸的運(yùn)行缺陷。方案提交業(yè)主后，得到業(yè)主的認(rèn)可并投入實(shí)施。

經(jīng)過(guò)16根主軸的檢測(cè)跟蹤和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，證實(shí)了本方案的可行性和正確性。排除了風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行主軸存在的質(zhì)量問(wèn)題，消除了業(yè)主的疑慮，避免了吊裝主軸帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失，達(dá)到了預(yù)期效果。