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双馈风力发电机转轴微动磨损原因分析及预防措施

文摘   2024-09-25 17:43   河南  

《轴承》2024年 第9期

引文格式：

刘倩.双馈风力发电机转轴微动磨损原因分析及预防措施[J].轴承，2024（9）：88-91.

LIU Qian.Cause Analysis and Preventive Measures for Fretting Wear of Doubly-Fed Wind Turbine Rotor Shaft[J].Beairng,2024（9）：88-91.



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双馈风力发电机转轴微动磨损

原因分析及预防措施

刘倩

（西安辰安电气有限公司，西安 710299）

DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2024.09.013

摘 要 针对双馈风力发电机转轴微动磨损故障，从发电机的振动，转轴与轴承内圈的配合以及材料性能等方面进行分析，认为轴承原始游隙过小，轴承过盈量偏小，机组振动偏大以及摩擦副材料性能不足是导致转轴呈蜂窝状损伤形貌的原因。通过增大转轴与轴承内圈间的过盈量和轴承原始游隙，减小振动，在接触副涂抹防蠕动膏的措施，有效解决了转轴微动磨损问题，保障了风力发电机的可靠运行。
关键词 滚动轴承；风力发电机组；微动磨损；过盈配合；振动；径向游隙
在“双碳”目标和低碳能源体系转型政策的驱使下，风电［1］已成为我国新能源体系中的重要组成部分。风力发电机一般安装在高山、荒野、海岛等交通不便的地方，一旦出现故障，修复非常困难，故其可靠性要求比一般机械高得多，设计寿命须达到20 a。
滚动轴承由于使用维护方便，支承结构简单，容易装拆，是风力发电机组的重要支承部件。风力发电机组一般使用2或3套轴承安装在箱体的两端以支承转子，在使用过程中，由于装配不当、润滑不良、过载和振动冲击等原因，轴承易出现磨损、断裂、腐蚀、压痕等多种失效形式。其中磨损失效最为常见，包含磨料磨损、疲劳磨损、黏着磨损以及微动磨损。
微动磨损［2-6］是一种相对运动幅度很小的摩擦方式，通常存在于一个振动工况下“近似紧固”的机械配合件之中，其位移幅度为微米级，会造成接触表面的材料损失或结构配合尺寸减小，继而导致松动，产生跑圈故障，甚至轴承抱死、定转子相蹭（扫膛）的重大质量问题。

1 轴承故障现象

某风场一台双馈异步风力发电机采用双轴承结构，两端轴承型号为6332/M/C3，轴承内径为160 mm，转轴与轴承配合面的尺寸为160 mm，轴承内圈与转轴之间的最小过盈量为0.015 mm。该发电机在并网运行2 a后发生故障，表现为发电机振动大，轴承异响明显且外圈温度达到90 ℃。
如图1所示，发电机外盖打开后发现油脂严重发黑；进一步拆解发现转轴与轴承配合面磨损严重，呈蜂窝状凹坑；测量可得转轴与轴承配合面的尺寸为158.000 mm，轴承内圈配合面光亮但有明显的蠕动痕迹，轴承内径测量值为160.3 mm。初步判断是微动磨损导致转轴与轴承内圈配合面的尺寸发生了变化，转轴与轴承内圈发生相对转动（跑内圈），致使轴承高温报警。同时，微动磨损也可能加速裂纹的萌生、扩展，使结构件的疲劳寿命大大降低，需对该故障现象进行深入分析。

图1   风力发电机组转轴和轴承的损伤形貌Fig.1   Damage morphology of rotor shaft and bearing for wind turbines

2 损伤原因分析

如图2所示，微动损伤的形成经历了4个阶段：1）磨损首先发生在接触表面的微凸体上，产生少量磨屑；2）磨屑增多，逐渐演变为磨粒磨损，许多微凸体合并为一个小平台；3）磨屑进一步增加，开始从接触区溢出并进入邻近的洼谷区；4）接触区压力再分布，中心压力增高，边缘压力降低，导致中心区域的磨粒磨损加重，凹坑迅速加深，最终形成轴承表面遍布的蜂窝状凹坑。

图2   微动磨损形成过程Fig.2   Formation process of fretting wear

2.1 轴承与转轴配合面的过盈量

2.1.1 原配合过盈量校核
风力发电机运行时经常处于变速状态，轴与轴承内圈之间的摩擦力拖动内圈与轴同步旋转、变速；同时，内圈在引导滚动体转动时受到来自滚动体的阻力转矩［7］。只有确保过盈配合产生的摩擦力大于所需的传递力，才能确保轴承内圈与轴之间不出现相对微动甚至滑动。
轴承总摩擦力矩［8］为

，（1）
式中：为摩擦系数，取0.001 85；为轴承当量动载荷，取24 017 N；为轴承内径，取160 mm。计算可得轴承总摩擦力矩为3.555 N∙m。
需要传递的载荷为

，（2）
式中：为轴向作用力，取6 132 N。计算可得需要传递的载荷为6 132.2 N。
传递载荷需要的最小结合压力为

，（3）
式中：为胀缩法过盈连接的摩擦系数，取0.14；为结合长度，取67 mm。经计算可得为1.3 MPa。
转轴与轴承内圈最小过盈量产生的最小结合压力为

，（4）
式中：为最小过盈量，取0.015 mm；，分别为内圈、转轴的表面粗糙度；，分别为内圈、转轴的弹性模量；，为中间变量，可参阅文献［8］中的表5-4-5得到，本文分别取0.728，0。转轴材质为40Cr，相关材料参数按照40Cr选取。经计算为3.57 MPa。
转轴与轴承内圈最小过盈量产生的最小传递力为

。（5）
计算可得为1 541 429 N。由以上计算结果可得＜，＜，即正常运转情况下，转轴与轴承内圈间的最小过盈量可满足要求。
2.1.2 轴承内圈与转轴间温差导致过盈量减小
当转轴与轴承内圈间的过盈量减小至0.085 mm时，产生的结合压力为1.296 MPa，此时相比原过盈量减小了0.065 mm，转轴与轴承内圈接触副间的摩擦力无法传递内圈引导滚动体转动时来自滚动体的阻力转矩，会发生微动甚至滑动。
配合面的温差会导致过盈量减小，可表示为

 ，（6）
式中：为过盈量减小量，取6.5 µm；为钢的热膨胀系数，取11×10-6 K-1。计算可得为3.7 K，因此外部热源导致转轴与轴承内圈间的温差超过3.7 K时，原始过盈量（0.015 mm）不能保证所需的最小结合压力。
2.1.3 轴承工作游隙
该电机轴承型号为6332/M/C3，原始径向游隙范围为46 ~ 91 μm，转轴尺寸为160 mm，极限公差配合下轴承工作游隙范围为-28 ~ 52 μm，工作游隙偏小会导致轴承磨损、发热，轴承内圈较转轴膨胀量增加，过盈量减小。

2.2 机组振动偏大

该风电机组现场测试的振动情况如图3所示：在该机组工作转速区间（1 000 ~ 1 750 r/min），垂直、水平方向的最高速度有效值分别为9.94，8.96 mm/s，机组振动偏大；从垂直方向的伯德图可以看出转速1 285 r/min时振动幅值最高，且在远离峰值点处存在170°的相位差，存在共振现象，共振峰值为13.8 mm/s。过大的振动会使轴承传递载荷过大，原过盈量产生的结合压力不能满足需求，导致配合面发生微动甚至滑动。

图3   风电机组现场测试振动情况Fig.3   On site vibration test of wind turbines
同时，振动产生的能量与振动速度平方成正比，能量传递会造成机械磨损、部件松动、材质疲劳等。相比静力学超载破坏，振动可在相当短的时间内产生疲劳并使其迅速扩大，应引起高度重视［9］。

2.3 材料性能

金属材料的抗黏着磨损能力强，抗微动磨损的能力也较强［3］。材料的硬度及其接触面的环境气氛影响磨损速率。
轴承钢的材质一般为GCr15，硬度为61 ~ 65 HRC，几乎是转轴硬度（240 ~ 260 HBW）的3倍，因此转轴的磨损严重，尺寸减小了2 mm，轴承内圈尺寸则增加了0.3 mm。

2.4 小结

综上所述，从磨损机理及实际工况分析，转轴与轴承内圈发生微动磨损故障的原因为：轴承原始游隙过小，轴承过盈量偏小，机组振动偏大以及摩擦副材料抗微动磨损的能力较弱。

3 预防措施及效果

3.1 增大轴承游隙

将轴承由6332/M/C3更换为6332/M/C4，即轴承原始游隙由46 ~ 91 μm变为81 ~ 130 μm，进而增大轴承工作游隙，减少轴承摩损发热。

3.2 增大转轴与轴承内圈间的过盈量

通常，在振动较大的场合下，采用紧一级的配合。将转轴与轴承配合面尺寸由160 mm更改为160 mm，通过增加转轴与内圈间的过盈量抑制内圈的微动状态。
公差配合m5时的最小过盈量为0.015 mm，公差配合n5时的最小过盈量为0.027 mm，过盈量增加了80%。

3.3 降低机组的振动

出厂试验时控制发电机在弹性平台上全转速范围内的振动，将振动速度有效值降至较低水平，以达到减小轴承传递载荷的目的。GB/T 10068—2020《轴中心高为56 mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值》规定：出厂时，在额定转速范围内，电动机在刚性平台、弹性平台上的振动速度有效值应分别小于2.3，2.8 mm/s。由图3可知，故障发电机的振动值满足此要求，1 000 ~ 1 750 r/min时的振动速度有效值均小于2 mm/s。
然而，在1 000 ~ 1 750 r/min的转速区间内，发电机在弹性支承上不可避免地会出现共振点，共振点处的幅值为9.94 mm/s，依据GB/T 35854—2018《风力发电机组及其组件机械振动测量与评估》的规定（表1），区域B是风电机组及其组件可长期连续运行的区域，区域C不适合长期连续运行，应尽快调查振动源；区域D是危险区域，在该区间运行可能导致风电机组及其组件损坏。由图3可知发电机的振动水平已经接近危险区域。因此，结合GB/T 10068—2020和GB/T 35854—2018的规定，考虑到塔上对中以及安装平台的影响，在发电机出厂时的弹性平台空载振动试验中，应将全工作转速区间内的振动速度有效值控制在3.5 mm/s内，方能保证发电机在塔上的平稳运行。

表1   GB/T 35854—2018规定的速度限值Tab.1   Velocity limits from GB/T 35854—2018


3.4 提高摩擦副抗微动磨损能力

转轴的硬度远小于轴承，而从加工和经济性方面考虑，难以将转轴的硬度提高至轴承的硬度。因此，轴承装配前在转轴与轴承配合面处涂抹防蠕动膏（图4），用作轴承装配过程中的润滑剂，避免安装时接触表面组织划伤；另外，接触面间的涂层还可以抵抗环境介质和各种腐蚀气氛，防止结合面发生微动腐蚀。

图4   涂抹防蠕动膏Fig.4   Apply anti-creep paste

3.5 小结

采取上述措施对发电机轴承进行处理后装机使用，在风场随机抽查1台运行2 a以上的发电机进行振动测试，如图5所示：轴承运行状况良好，无松动跑圈故障；拆解后转轴处的油脂颜色正常，轴承内圈与转轴配合面无蠕动痕迹以及磨损现象，确保了风力发电机的可靠运行。

图5   改进后轴承的运行情况Fig.5   Operation of improved bearing

1. 王卉雯.风电已成新能源体系重要组成部分［N/OL］.新华网，2006-01-11.［2022-8-19］.http：//www.xinhuanet.com/science/2022-08/19/c_1310653806.htm.

2. 文广．试验机转动轴微动损伤及动态特性研究［D］．成都：西南交通大学，2016．

3. 周仲荣，LEO V．微动磨损［M］．北京：科学出版社，2002：28-33．

4. 杨启，程景惠，关会娟，等．微动疲劳损伤理论研究进展［J］．内燃机与配件，2020（3）：220-221．

5. HURRICKS P L.The mechanism of fretting—a review［J］.Wear， 1970， 15（6）：389-409.

6. 滚动轴承 损伤和失效 术语、特征及原因：GB/T 24611—2020［S］．

7. 才家刚，王勇．电机轴承应用技术［M］．北京：机械工业出版社，2020：60-65．

8. 成大先．机械设计手册：第2卷［M］．4版．北京：化学工业出版社，2002：206-232．

9. 阳建宏．滚动轴承诊断现场实用技术［M］．北京：机械工业出版社，2015：203-211．

Cause Analysis and Preventive Measures for Fretting Wear of Doubly-Fed Wind Turbine Rotor Shaft

LIU Qian

（Xi’an Chen’an Electric Co.， Ltd.， Xi’an 710299，China）

Abstract: The fretting wear fault of double-fed wind turbine rotor shaft is analyzed from aspects of vibration of the turbine， matching between rotor shaft and bearing inner ring and material properties. It is concluded that small original bearing clearance， small bearing interference fit， large vibration of the turbine and insufficient material properties of friction pair are reasons for honeycomb-like damage morphology of rotor shaft. By increasing the interference fit between rotor shaft and bearing inner ring and the original bearing clearance， reducing the vibration， and applying the anti-creep paste on contact pair， the fretting wear problem of rotor shaft is solved effectively， ensuring the reliable operation of the turbine.

Keywords: rolling bearing；wind turbines；fretting wear；interference fit；vibration；radial clearance

中图分类号： TH133.33；TM315

文章编号：1000-3762（2024）09-0088-04

文献标识码： B

收稿日期：2023-04-27

修回日期：2024-03-07

出版日期：2024-09-05

网刊发布日期：2024-09-02

本文编辑：张旭

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