電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)主軸承卡死故障分析及解決方案研究

張 濤，楊玉龍，李黎明，韓勇莉

（平高集團(tuán)有限公司，河南平頂山 467000）

引言

電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組是我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用的機(jī)組，機(jī)組主傳動鏈?zhǔn)褂秒p列圓錐滾子軸承，整個(gè)傳動軸系采用單主軸承、外圈旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，內(nèi)圈通過過盈固定到支撐錐軸上，發(fā)電機(jī)為電勵(lì)磁的內(nèi)轉(zhuǎn)子、外定子布局。從2015 年1 月，該機(jī)型在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中主軸承開始在各個(gè)風(fēng)場陸續(xù)發(fā)生損壞情況，其表現(xiàn)的跡象是保持架發(fā)生損傷，隨著機(jī)組的運(yùn)行，機(jī)組主軸承發(fā)生異常響聲，伴隨機(jī)組振動，油脂大量溢出，油脂顏色變黑，進(jìn)一步惡化進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)輪卡死，機(jī)組無法工作。本解決方案就是在主軸承開始的原因分析基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)性解決方案。

1 故障原因分析

1.1 主軸承卡死原因分析

1.1.1 主軸承結(jié)構(gòu)問題

電勵(lì)磁主軸承原始設(shè)計(jì)選擇雙列圓錐滾子軸承，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用單主軸承支撐，平衡風(fēng)輪和轉(zhuǎn)子質(zhì)量，同時(shí)將機(jī)組工作時(shí)風(fēng)輪產(chǎn)生風(fēng)載傳遞到機(jī)艙。主軸承供應(yīng)商采用鐵姆肯、SKF、FAG 以及NTN，其中鐵姆肯和SKF 主軸承均出現(xiàn)主軸承損壞和卡死現(xiàn)象。一般風(fēng)機(jī)機(jī)組采用的事PEEK 分段式保持架，分段式保持架在主軸承工作時(shí)由于風(fēng)載的作用產(chǎn)生承載區(qū)和非承載區(qū)，在機(jī)組工作過程中，主軸承的承載區(qū)和非承載區(qū)轉(zhuǎn)換過程中，分段式保持架之間產(chǎn)生撞擊，這個(gè)撞擊會導(dǎo)致保持架的局部損壞，保持架損壞到一定程度，失去了保持架引導(dǎo)滾動體的能力，從而使保持架在軸承內(nèi)部出現(xiàn)擠壓粉碎，進(jìn)而使?jié)L動體不能正常沿滾道運(yùn)動，產(chǎn)生滑動摩擦，嚴(yán)重出現(xiàn)滾道損傷和滾動體破損，從而導(dǎo)致主軸承出現(xiàn)機(jī)械卡死現(xiàn)象[1-2]。

1.1.2軸系結(jié)構(gòu)布局不合理

電勵(lì)磁采用的主軸承是外圈旋轉(zhuǎn)，由于該機(jī)型是采用單主軸承結(jié)構(gòu)，因此在機(jī)組正常發(fā)電時(shí)，載荷傳遞路線是從主軸承的外圈經(jīng)過滾動體傳遞到主軸承的內(nèi)圈。由于周期性風(fēng)載作用，軸承就會發(fā)生滾動體與滾道沖擊，長期運(yùn)行會導(dǎo)致軸承滾子和保持架損壞。因此該機(jī)型的主軸承軸系結(jié)構(gòu)存在不合理的地方。

1.1.3 主軸承PEEK 保持架溫度影響

PEEK 材料為一種高分子工程塑料，有一定的工作溫度范圍，常規(guī)要求工作溫度不能超過120 ℃，機(jī)組設(shè)定的報(bào)警溫度是85 ℃，由于主軸承的測溫傳感器是測量主軸承內(nèi)表面，由于主軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，滾道的溫度與內(nèi)圈的表面會形成一個(gè)溫度差，這樣當(dāng)測量到的溫度為85 ℃時(shí)，滾道面的溫度會達(dá)到100℃以上，長期運(yùn)轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致PEEK 保持架的熱疲勞破壞，而保持架一旦損壞會使主軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)一步惡化。電勵(lì)磁機(jī)組的導(dǎo)流罩與輪轂鑄件形成封閉空間，機(jī)艙內(nèi)的空氣無法流動，輪轂形成一個(gè)“死區(qū)”，不利于主軸承的散熱。由于發(fā)電機(jī)主軸承處于輪轂和機(jī)艙的環(huán)境中，改善輪轂和機(jī)艙的環(huán)境溫度可以一定程度上緩解發(fā)電機(jī)主軸承溫升[3]。

1.1.4 溫度對潤滑效果影響

主軸承潤滑的作用是對軸承的滾動體和滾道接觸面、滾動體與保持架之間的接觸面提供潤滑，通過防止磨損來提高軸承的性能。現(xiàn)有的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)主軸承使用“美孚460WT”來進(jìn)行潤滑，油脂泵按照控制設(shè)定的參數(shù)對主軸承進(jìn)行注油脂潤滑，而潤滑油脂有一定的工作溫度（-30 ℃～150 ℃），隨著主軸承零部件表面溫度的升高，潤滑油脂的性能會減弱，潤滑油膜會變薄，不利于主軸承的潤滑油膜的形成。

1.1.5 原設(shè)計(jì)電勵(lì)磁機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)（雙列圓錐滾子軸承）

在主軸承外圈旋轉(zhuǎn)過程中，受風(fēng)載傾覆力矩影響，主軸承滾子和軸承滾道會產(chǎn)生與初始的設(shè)計(jì)狀態(tài)不符的正游隙情況，而在主軸承的校核過程中把保持架作為非承受載荷作用的穩(wěn)定單元進(jìn)行仿真，從而產(chǎn)生主軸承的計(jì)算仿真結(jié)果能夠滿足要求，但是實(shí)際在運(yùn)行過程中主軸承發(fā)生損壞失效的嚴(yán)重故障，見圖1、圖2。

圖1 二列圓錐滾子軸承破損圖

圖2 二列圓錐滾子軸承滾道

1.2 主軸承技術(shù)改造思路

1.2.1 電勵(lì)磁原結(jié)構(gòu)說明

電勵(lì)磁原發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，主軸承結(jié)構(gòu)采用大直徑雙列圓錐單主軸承結(jié)構(gòu)，軸承的內(nèi)環(huán)通過過盈配合與發(fā)電機(jī)的錐筒裝配在一起，然后通過壓盤將軸承內(nèi)環(huán)進(jìn)行軸向定位[4]。外圈的一個(gè)端面與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行連接，另一端與密封座和輪轂連接在一起，是外圈旋轉(zhuǎn)的主軸承結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 二列圓錐滾子軸承效果圖

1.2.2 解決主軸承問題的技術(shù)方向

根據(jù)以上分析結(jié)果以及結(jié)合風(fēng)場機(jī)組具體情況，確定如下技術(shù)方向：（1） 提高主軸承軸系結(jié)構(gòu)剛性，減小主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的變形；（2） 采用整體式保持架結(jié)構(gòu)，由于保持架的牽制，在承載區(qū)和非承載區(qū)的轉(zhuǎn)換時(shí)，不會產(chǎn)生保持架的沖擊，從而徹底消除保持架損壞導(dǎo)致軸承失效的隱患[5]；（3） 改變潤滑通道結(jié)構(gòu)，使廢油出通暢，保證軌道面潤滑效果，改善主軸承滾動體和滾道的潤滑環(huán)境。

1.2.3 技術(shù)改進(jìn)的目標(biāo)和邊界條件

（1） 技術(shù)改進(jìn)目標(biāo)：消除機(jī)組主軸承卡死問題，保證機(jī)組20 年的設(shè)計(jì)壽命，機(jī)組發(fā)電性能達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，機(jī)組載荷滿足原設(shè)計(jì)要求；（2） 邊界條件：利用現(xiàn)有的機(jī)組結(jié)構(gòu)，最大限度的控制成本。

2 解決方案

2.1 解決主軸承卡死技改方案設(shè)計(jì)

主軸承卡死技改需要根據(jù)總體方案、工藝要求、復(fù)雜工序、施工標(biāo)準(zhǔn)以及驗(yàn)證準(zhǔn)則來執(zhí)行，需要較強(qiáng)的技術(shù)能力、專業(yè)能力以及豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，確保工程安全和質(zhì)量[6]。三排圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）三排圓柱滾子實(shí)際上是一個(gè)圓柱滾動體軸承和兩個(gè)軸向止推軸承的組合軸承，具有良好的軸向和徑向承載能力；（2） 由于圓柱軸承的局限性，因此在三排軸承的安裝后不論是軸向游隙或徑向游隙不可能是負(fù)游隙狀態(tài)，理論狀態(tài)下軸向游隙可以做到零，軸承處于過定位，因此三排圓柱滾子軸承的工作過程是正游隙狀態(tài)；（3） 三排圓柱滾子軸承的布置方式是外圈旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈是通過螺栓直接與錐軸連接在一起，不是通過過盈安裝，因此安裝方式比較簡單[7-8]；（4） 由于三排滾子軸承自身剛度比較好，在特定載荷作用下，具有比較好變形控制能力；（5） 三排圓柱滾子軸承采用整體銅質(zhì)保持架，保持架具有良好的整體結(jié)構(gòu)特性，在主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對滾動體的引導(dǎo)作用好，其強(qiáng)度不會因?yàn)橹鬏S承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。

綜上：基于以上三排圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，解決雙列圓錐滾子軸承卡死問題采用三排圓柱滾子軸承對電勵(lì)磁的雙列圓錐滾子軸承進(jìn)行技改成為可能。

2.2 主軸承技改技術(shù)方案說明

在結(jié)構(gòu)布局上，電勵(lì)磁機(jī)組軸系改造是采用三排圓柱滾子軸承替代雙列圓錐軸承，依然采用主軸承外圈旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)布局形式，保持輪轂和機(jī)艙與發(fā)電機(jī)連接接口的一致性，由于主軸承的安裝方式存在差異，因此在軸系結(jié)構(gòu)（軸承及周邊結(jié)構(gòu)）上進(jìn)行更改，具體如下：（1） 軸系旋轉(zhuǎn)部分的聯(lián)接形式。這一點(diǎn)上，采用雙列圓錐軸承與三排圓柱滾子軸承的軸系一致的，均是輪轂、密封座、主軸承外圈，以及轉(zhuǎn)軸通過長螺栓串聯(lián)接在一起，隨著風(fēng)輪同步轉(zhuǎn)動。（2）軸系靜止部分的聯(lián)接形式。三排圓柱滾子軸承的軸系是軸承內(nèi)圈與錐軸采用法蘭聯(lián)接在一起，而雙列圓錐軸承的軸系是軸承內(nèi)圈與錐軸采用過盈配合聯(lián)接在一起，并用軸承壓蓋壓緊軸承內(nèi)圈。（3） 采用三排圓柱滾子軸承替代雙列圓錐軸承后，為了解決主軸承及輪轂高溫的問題，增加主軸承冷卻系統(tǒng)和輪轂循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)。

2.3 電勵(lì)磁主軸承軸系技改整機(jī)載荷分析

由于對主軸承軸系進(jìn)行改造，三排圓柱滾子軸承的軸向尺寸比雙列圓錐滾子軸承要大，導(dǎo)致風(fēng)輪具塔筒的懸垂距離增加了200 mm，同時(shí)由于三排滾子軸承自身重量的影響，導(dǎo)致技改后的發(fā)電機(jī)重增加了1.3 t，因此采用Bladed4.3軟件根據(jù)機(jī)組的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行仿真載荷計(jì)算[9]。

有限元計(jì)算結(jié)果表明該型號軸承本體以及相關(guān)的連接螺栓能夠滿足電勵(lì)磁主軸承軸系技改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

2.4 電勵(lì)磁主軸承軸系技改采用的三排圓柱滾子軸承校核

根據(jù)上述總體載荷計(jì)算情況，保持原機(jī)組的機(jī)艙和輪轂接口尺寸不變，擬選擇相關(guān)廠家生產(chǎn)的三排圓柱滾子軸承，通過對該型號的軸承進(jìn)行了經(jīng)歷計(jì)算和有限元仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 電勵(lì)磁機(jī)組主軸承軸系技改第三方校核情況說明

為了進(jìn)一步控制設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，與行業(yè)權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒衡認(rèn)證中心進(jìn)行合作對電勵(lì)磁機(jī)組主軸承軸系技改方案進(jìn)行評估，鑒衡認(rèn)證中心從技術(shù)方案、傳動鏈動力學(xué)分析、零部件（錐軸、主軸承、連接螺栓）以及制造工藝和維護(hù)要求四個(gè)方面進(jìn)行評估，評估結(jié)果采用三排圓柱滾子軸承對原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行技改是合理可行的[10]。

3 電勵(lì)磁機(jī)組主軸承軸系技改整體解決方案

對電勵(lì)磁機(jī)組主軸承軸系整體解決方案包括拆卸風(fēng)輪，然后發(fā)電機(jī)下架，對損壞的發(fā)電機(jī)進(jìn)行維修檢查，定轉(zhuǎn)子絕緣檢查，軸系改造完成后發(fā)電機(jī)進(jìn)行總裝測試，將維修好的發(fā)電機(jī)運(yùn)輸至風(fēng)場，恢復(fù)吊裝[11-12]。

電勵(lì)磁機(jī)組發(fā)電機(jī)維修質(zhì)量流程要求，見表1。

4 結(jié)論

通過以上內(nèi)容和設(shè)計(jì)過程控制，采用三排圓柱滾子軸承對出現(xiàn)主軸承卡死的2 MW 電勵(lì)磁機(jī)組進(jìn)行軸系技改，可以解決主軸承卡死問題，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性。