風(fēng)機(jī)主軸軸承故障原因分析和追溯

劉寶金

(東方電氣風(fēng)電有限公司質(zhì)量管理部，四川618000)

某公司為我公司提供的主軸軸承，在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行過程中發(fā)生故障，已無(wú)法滿足風(fēng)機(jī)工作需求，需進(jìn)行更換。主軸軸承的更換，遠(yuǎn)超于軸承本身價(jià)格的質(zhì)量損失，故需對(duì)軸承故障原因進(jìn)行分析，以確認(rèn)與供應(yīng)商之間的責(zé)任事宜。

主軸軸承是風(fēng)電機(jī)組的核心零部件，處于風(fēng)力機(jī)械中的薄弱部位，是造成某些型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的主要故障之一。主軸軸承承受的力主要包括風(fēng)葉及輪轂的重量、主軸自重、主軸軸承的支承力、推力軸承的止推力、風(fēng)通過風(fēng)葉及輪轂作用在主軸的力，因而主軸軸承主要承受徑向力，也受部分由于風(fēng)力而產(chǎn)生的軸向力作用。主軸軸承受力較為復(fù)雜，隨著風(fēng)力的變化而變化，且會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此軸承故障分析涉及面較廣，難以得到準(zhǔn)確的故障原因。

1 主要故障現(xiàn)象和質(zhì)量損失情況

在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，故障主軸軸承表現(xiàn)為：軸承溫度高或軸承內(nèi)部存在異響，部分故障軸承溫升和異響同時(shí)存在。由于軸承生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多，材料類別復(fù)雜，同時(shí)受運(yùn)輸、使用維護(hù)等因素影響，軸承故障原因分析十分困難。

目前風(fēng)機(jī)主軸軸承與主軸為紅套連接，一旦軸承發(fā)生故障必須更換時(shí)，需使用吊車將主軸軸承和主軸一起吊裝至地面進(jìn)行整體更換。根據(jù)目前主軸軸承市場(chǎng)價(jià)格，單個(gè)軸承價(jià)格約為5萬(wàn)元人民幣，進(jìn)口軸承約為10萬(wàn)元人民幣。但是，若軸承發(fā)生故障，迫使主軸軸承更換，將產(chǎn)生幾倍甚至10余倍軸承價(jià)格的質(zhì)量損失，其費(fèi)用包括：

1.1 主軸軸承本身費(fèi)用

因主軸軸承和主軸為紅套連接，無(wú)法拆卸軸承，只能通過破壞性拆卸軸承，保證主軸再次修復(fù)使用。破壞拆卸的主軸軸承已無(wú)法修復(fù)，軸承本體費(fèi)用將納入質(zhì)量損失。

1.2 主軸修復(fù)費(fèi)用

因軸承故障導(dǎo)致更換軸承，拆卸軸承后需對(duì)主軸進(jìn)行修復(fù)方能再次投入使用。若修復(fù)過程處理不當(dāng)，甚至可能導(dǎo)致主軸無(wú)法再次使用，造成更大的損失。

1.3 吊裝費(fèi)用

故障軸承拆下后需吊裝至地面，需租用大型吊車方可完成，將會(huì)產(chǎn)生高額費(fèi)用。

1.4 主軸軸承及主軸運(yùn)輸費(fèi)用

因軸承故障導(dǎo)致更換的傳動(dòng)鏈，需從風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)返回機(jī)組裝配地進(jìn)行修復(fù)，長(zhǎng)途運(yùn)輸將產(chǎn)生高額的運(yùn)輸費(fèi)用。

2 主軸軸承故障的主要原因

2.1 材料質(zhì)量差

材料的好壞是決定主軸軸承質(zhì)量的重要因素，我國(guó)風(fēng)機(jī)主軸軸承與國(guó)外差距，材料是主要因素，其次才是軸承設(shè)計(jì)、工藝水平和工藝裝備。盡管我國(guó)制定了JB/T 10705—2007《滾動(dòng)軸承 風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承》，修訂了GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其中碳化物、偏析、含氧量和夾雜物等要求有所提升，但受制于國(guó)內(nèi)鋼企冶煉技術(shù)和成本等因素，完全實(shí)施仍有很大難度。隨著真空脫氣的廣泛應(yīng)用，我國(guó)在軸承鋼的含氧量控制方面有了很大提高，已接近國(guó)外水平。但在碳化物均勻性、網(wǎng)狀碳化物控制、夾雜物控制等方面仍有較大差距，這就造成了國(guó)內(nèi)風(fēng)電軸承質(zhì)量、壽命、可靠性及一致性遜色于國(guó)外產(chǎn)品。

圖1 主軸軸承故障情況圖Figure 1 Picture of main shaft bearing failure

風(fēng)電軸承類型很多，材料有十幾種，要正確選材，必須考慮軸承零件的服役條件、失效形式、材料本身的價(jià)格性能、相應(yīng)的強(qiáng)化手段及加工條件和制造成本。

2.2 熱處理不當(dāng)

軸承鋼交貨狀態(tài)大多為球化退火態(tài)，以便于進(jìn)行切削加工。軸承鋼球化退火時(shí)間長(zhǎng)，耗時(shí)耗能。研究與生產(chǎn)結(jié)果表明，淬火加熱時(shí)控制奧氏體中C含量在0.5%左右，既可獲得足夠高的淬火基體硬度，又可保證有足夠體積分?jǐn)?shù)的合金滲碳體阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，且0.5% 左右C含量的馬氏體具有明顯的板條特征，具有較高的韌塑性，可明顯提高軸承的接觸疲勞壽命。

2.3 潤(rùn)滑不良

主軸軸承作為風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的支撐部件，在運(yùn)行過程中需要在滾動(dòng)體與內(nèi)外圈及保持架之間形成有效油膜，減少軸承的摩擦損耗，有效提高軸承的使用壽命。風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑油的加注采用自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，潤(rùn)滑參數(shù)的合理設(shè)置以及有效的人工維護(hù)是軸承良好運(yùn)行的可靠保證。一旦缺少潤(rùn)滑油脂，將造成軸承運(yùn)行潤(rùn)滑不良，形成干摩擦，對(duì)軸承本身?yè)p害極大，極易導(dǎo)致軸承故障。

2.4 運(yùn)輸過程保護(hù)不當(dāng)

在風(fēng)機(jī)運(yùn)行前的運(yùn)輸過程中，可能在主軸軸承滾道表面產(chǎn)生軸向壓痕，該壓痕可能成為軸承損壞的誘因之一。

3 故障原因分析

通過以上理論對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)雖然軸承本身價(jià)值不高，但損壞造成的損失巨大，因此故障原因分析十分必要和迫切；但軸承損壞的根本原因涉及的環(huán)節(jié)較多，取證困難，難以定性。以下分析是基于故障軸承的拆卸結(jié)果，分別從潤(rùn)滑、運(yùn)輸、材料使用、熱處理等環(huán)節(jié)對(duì)故障軸承原因進(jìn)行分析。

3.1 故障軸承拆卸情況

對(duì)故障軸承進(jìn)行拆卸分析。拆卸結(jié)果顯示軸承已嚴(yán)重?fù)p壞，軸承內(nèi)外圈出現(xiàn)不同程度的磨痕，保持架單側(cè)固定齒已全部斷裂，滾動(dòng)體出現(xiàn)碾碎現(xiàn)象，最嚴(yán)重的僅保留1/3，如圖1所示。

3.2 故障原因分析

3.2.1 故障軸承的潤(rùn)滑

查閱風(fēng)場(chǎng)該主軸軸承的運(yùn)行維護(hù)記錄，潤(rùn)滑系統(tǒng)工作正常，軸承排油正常，表明軸承潤(rùn)滑良好。對(duì)軸承進(jìn)行解體拆卸，拆卸的軸承內(nèi)外圈、滾動(dòng)體表面殘留油脂較多，表明軸承使用時(shí)潤(rùn)滑情況良好，表明軸承不存在潤(rùn)滑不良現(xiàn)象。

表1 故障軸承體的取樣分析方案Table 1 Sampling and analysis scheme of fault bearing

表2 金相組織、顯微硬度及滲層深度Table 2 Metallographic structure, microhardness and carburized layer depth

圖2 內(nèi)外圈取樣區(qū)域標(biāo)記Figure 2 Inner and outer sampling area marker

圖3 滾動(dòng)體編號(hào)方法Figure 3 Numbering method of rolling bearing

3.2.2 軸承的運(yùn)輸

對(duì)該軸承所在風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸過程進(jìn)行追溯，該風(fēng)機(jī)運(yùn)輸過程固定，設(shè)施齊備，保護(hù)措施完善，運(yùn)輸過程符合規(guī)范要求，未發(fā)現(xiàn)可能對(duì)軸承造成損壞的情況，因此排除了運(yùn)輸導(dǎo)致主軸軸承故障的可能。

3.2.3 軸承的設(shè)計(jì)

查閱軸承的設(shè)計(jì)過程，軸承外形尺寸、軸承的滾子尺寸、軸承的壓力角選取、額定動(dòng)靜負(fù)荷等要素的設(shè)計(jì)和選取均滿足規(guī)范要求，且通過我公司的評(píng)審認(rèn)證。

軸承保持架材料為ZHPb59-1-GB1176；滾動(dòng)體材料為GCr18Mo；內(nèi)圈材料為GCr18Mo；外圈材料為GCr18Mo。

以上材料的選取，符合JB/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》和JB/T 8881—2011《滾動(dòng)軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》的相關(guān)要求。綜上所述，軸承設(shè)計(jì)不是導(dǎo)致軸承故障的原因。

3.2.4 熱處理

通過上述理論分析，熱處理極有可能是軸承損壞的原因，以下對(duì)軸承的熱處理情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。

3.2.4.1 取樣分析

首先對(duì)損壞軸承體的保持架、內(nèi)外圈、滾動(dòng)體進(jìn)行取樣分析，取樣分析見表1。

3.2.4.2 檢測(cè)結(jié)果分析

故障主軸軸承試樣檢測(cè)結(jié)果各區(qū)域金相組織、顯微硬度和滲層深度如表2和圖4所示。

對(duì)比檢測(cè)結(jié)果和技術(shù)圖紙、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，得到如下結(jié)論：

(1)軸承內(nèi)外圈硬度不符合圖紙技術(shù)要求。對(duì)比軸承圖紙的技術(shù)要求和內(nèi)外圈的硬度檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)外圈硬度偏低，不符合圖紙技術(shù)要求。對(duì)比情況見表3。

(2)滾動(dòng)體硬化層深度檢測(cè)。按照?qǐng)D紙要求，滾動(dòng)體硬化層深度參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8881—2011 《滾動(dòng)軸承零件滲碳熱處理技術(shù)條件》進(jìn)行檢測(cè)。故障軸承的滾動(dòng)體直徑為?59.5 mm～67.5 mm，即滾動(dòng)體表面滲碳硬化層深度應(yīng)≥3.0 mm。而軸承檢測(cè)報(bào)告中4#滾動(dòng)體和5#滾動(dòng)體樣品滲碳層深度為0.83 mm和0.84 mm，小于3.0 mm，不滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 基體各區(qū)域金相組織圖(500×)Figure 4 Metallographic structure graph of each region of the matrix(500×)

(3)滾動(dòng)體表面含碳量檢測(cè)。按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8881—2011《滾動(dòng)軸承 零件滲碳熱處理 技術(shù)條件》中規(guī)定：滲碳軸承成品零件的表面含碳量應(yīng)為0.8%～1.05%，對(duì)有效硬化層深度≥2.5 mm的深層滲碳表面含碳量應(yīng)不低于0.8%，如有特殊要求時(shí)，在表面硬度合格的情況下可另行規(guī)定。軸承檢查報(bào)告中，1#滾動(dòng)體樣品表面含碳0.58%，4#滾動(dòng)體樣品表面含碳0.61%，5#滾動(dòng)體樣品表面含碳0.53%，均不滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 故障軸承內(nèi)外圈硬度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Figure 3 Comparison of hardness test result of inner and outer ring of fault bearing

表4 表面、邊緣及心部硬度Table 4 Hardness of surface,edge and core

表5 故障主軸軸承7#滾動(dòng)體硬度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 5 Comparion of hardness test result of 7# rolling bearing of fault spindle bearing

(4)滾動(dòng)體硬度檢測(cè)。

1#、4#、5#滾動(dòng)體硬度檢測(cè)見表4。在7#滾動(dòng)體上下端面各測(cè)試了6組硬度值，檢測(cè)結(jié)果見表5。

通過表4、表5得出，1#、4#、5#、7#滾動(dòng)體硬度均不合格。

4 結(jié)論

(1)主軸承滾動(dòng)體滲碳層深度、滾動(dòng)體表面含碳量、滾動(dòng)體硬度、內(nèi)外圈硬度不合格，是致使主軸軸承運(yùn)行過程中出現(xiàn)異響和故障的根本原因。風(fēng)機(jī)運(yùn)行中主軸承零部件無(wú)法承受風(fēng)輪傳遞的載荷，導(dǎo)致滾動(dòng)體表面受損，甚至破裂，擠壓滾道受損。

(2)根據(jù)分析，對(duì)軸承供應(yīng)商進(jìn)行了質(zhì)量追溯。在詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐下，供應(yīng)商認(rèn)可了我公司的分析結(jié)果，并承擔(dān)了相應(yīng)的質(zhì)量責(zé)任。

(3)以此軸承分析結(jié)果為契機(jī)，對(duì)該公司其余故障軸承進(jìn)行了相關(guān)分析，并且發(fā)現(xiàn)數(shù)臺(tái)軸承存在類似問題，目前已累計(jì)追回質(zhì)量損失400余萬(wàn)元。