大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承故障分析及預(yù)防方法

張 琦，張 強(qiáng),劉志偉,張 瀛,馬 寧

(魯能新能源(集團(tuán))有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

某場站的66臺1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組于2011年建成并網(wǎng)發(fā)電，截至2018年年底風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承出現(xiàn)不同程度損壞，2019—2020年風(fēng)電場針對主軸軸承進(jìn)行專項(xiàng)檢查維護(hù)、補(bǔ)油，但作用并不理想，機(jī)組運(yùn)行一段時間后，主軸軸承保持架斷裂，并有蔓延擴(kuò)大的趨勢。為解決這一問題，切實(shí)做好主軸軸承的維護(hù)保養(yǎng)，避免由主軸軸承破壞性損傷造成的更大經(jīng)濟(jì)損失，筆者根據(jù)油樣分析、潤滑方法等，綜合判斷了主軸軸承出現(xiàn)故障的原因，據(jù)此改善了主軸軸承的潤滑條件，創(chuàng)新性開展主軸軸承清洗、補(bǔ)油工作，達(dá)到了改善主軸軸承運(yùn)行條件、延長主軸軸承壽命的目的。

1 故障原因分析

1.1 潤滑油脂分析

目前雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承采用的是SKF240/630BC球面滾子軸承，使用美孚460WT油脂，該類油脂屬于半固體類產(chǎn)品，常溫下可依附于垂直表面而不流失，適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承潤滑[1]。筆者根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承密閉的運(yùn)行條件，結(jié)合油脂檢測評定標(biāo)準(zhǔn)，對損壞軸承的潤滑脂進(jìn)行水分測定和機(jī)械雜質(zhì)測定。

1.1.1水分測定

依照GB/T 512—1965標(biāo)準(zhǔn)，對美孚100進(jìn)行油樣水分化驗(yàn)，為保證結(jié)果正確性共取樣4次，取樣位置如圖1所示。每次稱取0.1 g損壞軸承內(nèi)部潤滑脂樣品，采用蒸餾法進(jìn)行水分測定[2]，結(jié)果見表1。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

表1 潤滑脂水分含量 單位：mL

通過表1可知，4個采樣點(diǎn)處的油脂水分均值含量超過了標(biāo)準(zhǔn)值1倍，即油脂內(nèi)的水分超標(biāo)。如果外界的水分或者腐蝕性介質(zhì)侵入軸承的工作空間，會導(dǎo)致軸承工作面發(fā)生腐蝕，造成早期剝落腐蝕，進(jìn)而引起保持架的磨損斷裂。

1.1.2機(jī)械雜質(zhì)測定

依照GB/T 513—1977標(biāo)準(zhǔn)對美孚100進(jìn)行油樣機(jī)械雜質(zhì)分析，與水分檢測一致，同樣對4個采樣點(diǎn)的潤滑脂進(jìn)行檢測分析，每次稱取0.1 g標(biāo)準(zhǔn)損壞軸承內(nèi)部潤滑脂樣品，采用酸分解法進(jìn)行機(jī)械雜質(zhì)測定[3]。

通過表2可知，4個采樣點(diǎn)處的油脂機(jī)械雜質(zhì)含量均值超過標(biāo)準(zhǔn)值1.8倍，油脂內(nèi)的機(jī)械雜質(zhì)超標(biāo)。軸承在運(yùn)行過程中出現(xiàn)疲勞剝落，容易造成更大的沖擊和振動[4]，這也是軸承失效最主要的原因。

表2 潤滑脂機(jī)械雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 維護(hù)保養(yǎng)方式分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承采用的是密封運(yùn)行的方式，故其日常的維護(hù)保養(yǎng)措施采用的是加注油脂的方式：利用機(jī)組半年檢修的時機(jī)，每半年進(jìn)行一次油脂補(bǔ)油，即利用黃油槍在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下單次注油2.1 kg左右。

該維護(hù)方法易于實(shí)現(xiàn)，但也存在弊端。停機(jī)狀態(tài)下的加注油脂方式無法實(shí)現(xiàn)油脂對軸承內(nèi)部所有的滾珠和保持架的潤滑，只能實(shí)現(xiàn)單一位置的潤滑，并且在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)注油口油脂板結(jié)的情況。檢修維護(hù)人員在加注油脂過程中無法靠肉眼判斷油脂是否板結(jié)，以為油脂加注完成，實(shí)際情況卻是油脂并未進(jìn)入軸承內(nèi)部實(shí)現(xiàn)潤滑，導(dǎo)致軸承出現(xiàn)油脂發(fā)黑、缺油等現(xiàn)象[5]，進(jìn)而因摩擦力和振動較大造成軸承發(fā)生疲勞剝落、保持架斷裂等情況。

綜上所述，某場站1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸承損壞的原因?yàn)檩S承維護(hù)、保養(yǎng)措施不到位，內(nèi)部出現(xiàn)了腐蝕和鐵屑，再加上油脂加注方式單一，隨著運(yùn)行年限的增加，早期的腐蝕會使得軸承出現(xiàn)疲勞剝落，鐵屑的增加在重負(fù)荷下造成軸承的較大振動，進(jìn)而引發(fā)軸承在壽命期內(nèi)出現(xiàn)了不可修復(fù)的損傷。

2 維護(hù)保養(yǎng)措施

通過上述的軸承故障分析可知，做好油脂潤滑和疲勞剝落的清理是軸承日常維護(hù)保養(yǎng)的關(guān)鍵，同時借助振動檢測儀器可提前發(fā)現(xiàn)隱患。

2.1 軸承潤滑保養(yǎng)

按照SKF240/630BC軸承保養(yǎng)手冊，應(yīng)當(dāng)每半年加注2.1 kg油脂。與之前的單一注油方式不同，筆者采取更加合理的方式確保油脂能夠進(jìn)入軸承內(nèi)部。

靠近齒輪箱側(cè)的軸承有軸承蓋板。為了保證油脂能夠均勻地進(jìn)行軸承潤滑，針對原保養(yǎng)手冊潤滑方式不充分問題，每次注油時可以打開軸承蓋板進(jìn)行油脂加注，且不會破壞軸承結(jié)構(gòu)。軸承共有18個滾珠間隙，在軸承蓋板打開后利用黃油槍將2.1 kg的美孚460WT油脂均勻地加注到18個間隙之中，確保每個滾珠與滑道表面都能形成保護(hù)油膜，起到油脂的潤滑作用。

油脂加注完畢后，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組內(nèi)部試啟動，確保油脂能夠均勻分布，最大限度保證潤滑無死角。

2.2 軸承的清洗

隨軸承運(yùn)行年限增加，按照軸承維護(hù)保養(yǎng)手冊的要求，軸承運(yùn)行9～10年后軸承油脂要全部更換，油脂更換量在9.5 kg左右。傳統(tǒng)的油脂更換方式為將軸承蓋板打開，利用手工掏油的方式清理油脂，完成后再將新的油脂填補(bǔ)進(jìn)入軸承間隙。但是該種方式存在以下弊端:1)無法保證失效的油脂完全清理干凈；2)隨運(yùn)行年限增加，油脂內(nèi)的鐵屑無法完全清理干凈；3)滾珠與保持架上附著油脂，無法清晰觀察表面情況，了解軸承在運(yùn)行年限增加后的實(shí)際情況。針對上述弊端，可創(chuàng)新性采取風(fēng)力發(fā)電機(jī)不拆卸的軸承清洗方式。

軸承清洗在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域中比較常見，但軸承清洗方法在風(fēng)電行業(yè)中尚未形成體系。本文參照傳統(tǒng)軸承清洗方法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)的軸承采取不拆卸的方法進(jìn)行清洗[6]，清洗步驟如下：

1)油脂清理。

由于清洗油脂使用的清洗劑有一定的腐蝕性，在清洗前檢修人員應(yīng)當(dāng)做好個人防護(hù)，并用擋布護(hù)住機(jī)艙其他部位，做好廢舊清洗劑的引流準(zhǔn)備工作。同時利用鏟刀、抹布清理干凈裸露的廢舊油脂。廢舊油脂清理前、后的滾珠狀態(tài)如圖2，3所示。

圖2 廢舊油脂清理前滾珠狀態(tài)

圖3 廢舊油脂清理后滾珠狀態(tài)

2)油脂初步清洗。

本文所提方案利用小型抽油機(jī)對油脂內(nèi)部進(jìn)行初步的清洗，安裝好沖洗套裝后應(yīng)當(dāng)在吸油口安裝80目的濾網(wǎng)。

鎖定機(jī)組，將沖洗管路深入軸承內(nèi)部(前后兩排滾子)，打開電源，依次沖洗軸承18個間隙，單個間隙沖洗時間不少于20 min，之后解除機(jī)組鎖定，讓機(jī)組旋轉(zhuǎn)90°，繼續(xù)清洗工作，直至目測沖洗干凈為止，如圖4所示。

圖4 初步清洗后保持架狀態(tài)

3)油脂二次清洗。

更換新的清洗劑和方箱，并將濾網(wǎng)更換為20目，同時更換為高壓清洗套裝對軸承進(jìn)行二次清洗，按照初步清洗的方式，直至全部清洗干凈為止，如圖5所示。

圖5 二次清洗后滾珠狀態(tài)

4)內(nèi)窺鏡檢查及回填。

完成二次清洗后利用空壓機(jī)在軸承內(nèi)部吹入壓縮空氣，直至內(nèi)部清洗劑基本清理干凈、軸承內(nèi)部變干燥為止[7]。同時利用內(nèi)窺鏡觀察軸承內(nèi)部有無滾珠剝落及滑道表面情況，如圖6所示。檢查時應(yīng)做好記錄，以便掌握軸承運(yùn)行情況[8]。油脂回填時應(yīng)當(dāng)采用均勻注油的方式，在18個間隙中均勻注油9.5 kg，完成后立即將軸承蓋板擰緊，避免油脂被污染。

圖6 內(nèi)窺鏡檢查滾道表面情況

2.3 振動檢測

機(jī)組內(nèi)部缺少大部件在線振動檢測功能屬于早期機(jī)組的設(shè)計缺陷。針對這一背景，可采用便攜式振動測試儀對主軸軸承運(yùn)行情況進(jìn)行檢測，如使用福祿克805FC對軸承運(yùn)行情況進(jìn)行檢測[9]。該測試儀的反饋信息如圖7所示。

圖7 振動檢測儀反饋信息

基于當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維方案，場站內(nèi)機(jī)組每月需進(jìn)行一次覆蓋性巡視。檢修人員可利用巡視機(jī)會，借助振動測試儀對主軸軸承進(jìn)行檢測，通過觀察反饋信息以增強(qiáng)發(fā)現(xiàn)軸承隱患的能力。

3 維護(hù)保養(yǎng)效果

利用本文中提出的軸承維護(hù)方法，對該機(jī)組進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。借助振動分析儀和軸承溫度檢測設(shè)備對主軸軸承維護(hù)保養(yǎng)前后的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3。

表3 維護(hù)保養(yǎng)前后主軸軸承運(yùn)行情況對比

由表可知，采用本文提出的維護(hù)保養(yǎng)措施后，軸承運(yùn)行情況明顯好轉(zhuǎn)，在不同的運(yùn)行狀況下，軸承運(yùn)行溫度平均降低3.5 ℃，振動值降低0.04 pk，有效提高了軸承的運(yùn)行壽命。

4 結(jié)束語

主軸軸承屬于機(jī)組的重大部件，由于其運(yùn)行情況的好壞關(guān)乎整臺機(jī)組的運(yùn)行，而且其更換成本高，因此采用合理的維護(hù)保養(yǎng)措施能直接提升整個場站的經(jīng)濟(jì)效益。由此可知，在日常工作中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照維護(hù)保養(yǎng)手冊做好以下幾個方面工作：1)嚴(yán)格遵循油脂的加注量要求，確保油脂能夠均勻分布，防止板結(jié)和缺油；2)在軸承運(yùn)行年限增加、油脂出現(xiàn)明顯的變色并伴有惡臭味道后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行軸承的完全清洗，并及時均勻補(bǔ)充新的油脂；3)巡視時可采用振動分析儀對軸承的運(yùn)行情況進(jìn)行輔助性檢測，并根據(jù)反饋信息開展對應(yīng)的隱患排查。

在軸承的維護(hù)中，只要嚴(yán)格按照上述措施進(jìn)行保養(yǎng)，就能較大幅度減少不可修復(fù)性損傷，延長軸承壽命，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與安全雙收益。