風(fēng)電液壓型變槳軸承失效機(jī)制及優(yōu)化方案研究

文|王劍彬，孟鵬飛，姚兵印

變槳軸承作為風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，直接影響整個(gè)變槳過(guò)程的連貫性、穩(wěn)定性以及精準(zhǔn)性，所以，變槳軸承的正確運(yùn)行與維護(hù)是提高其使用壽命、使風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的有力保障。變槳軸承的受力情況復(fù)雜，要承受沖擊、振動(dòng)和很大傾覆力矩，且部分裸露在外，易受沙塵、鹽霧、冰凍、冷凝水等污染的侵害，在風(fēng)電機(jī)組部件中失效頻率較高，其失效分析和優(yōu)化一直是風(fēng)電領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前行業(yè)內(nèi)的研究主要為變槳軸承的微動(dòng)磨損、漏油和斷裂等原因分析以及相應(yīng)防護(hù)措施，但對(duì)批次性損壞的研究較少，在失效分析中又常忽略環(huán)境、設(shè)計(jì)等因素。

本文主要以某型850kW機(jī)組變槳軸承批次性損壞為案例，結(jié)合軸承拆解結(jié)果，分析變槳軸承損壞原因；在此基礎(chǔ)上，提出多項(xiàng)軸承優(yōu)化方案，并給出日常運(yùn)維建議。

變槳軸承損壞案例

某海島風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為45.05MW，共有某型850kW風(fēng)電機(jī)組53臺(tái)，于2007年投產(chǎn)發(fā)電。風(fēng)電場(chǎng)年平均風(fēng)速約為6.65m/s，平均年利用小時(shí)數(shù)約為2255h。因風(fēng)電場(chǎng)位于近海區(qū)域，臺(tái)風(fēng)頻繁過(guò)境，每年至少有4～5次臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)，投產(chǎn)至今已累計(jì)達(dá)60次以上。此外，該風(fēng)電場(chǎng)的大部分風(fēng)電機(jī)組位于地形復(fù)雜的山坡，且周邊多陡坡和山溝，故長(zhǎng)期在湍流風(fēng)況下運(yùn)行。該型風(fēng)電機(jī)組的變槳系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)。

一、機(jī)組變槳故障概況

2017年底至2018年初，該風(fēng)電場(chǎng)多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組頻繁出現(xiàn)變槳系統(tǒng)故障，如表1所示。由表可知，多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的變槳液壓缸、變槳桿、空心軸、三角法蘭、連接曲柄、變槳結(jié)構(gòu)連接螺栓、變槳軸承都有不同程度的損壞。其中4個(gè)變槳軸承損壞，造成較大的損失。另外，還有部分風(fēng)電機(jī)組的變槳軸承存在異常噪音等。部分風(fēng)電機(jī)組在維修后仍然故障頻發(fā)，失效的軸承只能進(jìn)行更換，產(chǎn)生了較高的運(yùn)維成本。

表1 主要變槳系統(tǒng)故障記錄

二、變槳軸承失效分析

本文通過(guò)拆解6套損壞的軸承，找出軸承失效的主要原因。另外，還從環(huán)境、結(jié)構(gòu)磨損、控制策略、變槳系統(tǒng)自身設(shè)計(jì)、變槳軸承安裝不當(dāng)?shù)确矫鎸?duì)變槳軸承損壞原因進(jìn)行了分析。

（一）軸承拆解分析

2018年1月，對(duì)6套損壞的軸承進(jìn)行了拆解，軸承分別為：25#機(jī)組的02#軸承，44#機(jī)組的01#軸承，33#機(jī)組的01#軸承，39#機(jī)組的01#軸承，52#機(jī)組的01#、02#軸承。以上機(jī)組的軸承分屬兩家公司，簡(jiǎn)稱L和D公司，其中33#、39#、52#屬于L公司，25#、44#屬于D公司，拆解后的檢查結(jié)果如下。

1. L公司軸承狀況

圖1 軟帶磨損及兩側(cè)滾道嚴(yán)重剝落

圖2 滾道邊緣被壓潰（52#機(jī)組02#軸承）

由圖1可見(jiàn)，52#風(fēng)電機(jī)組01#軸承內(nèi)有銹蝕痕跡，內(nèi)圈滾道軟帶寬約20mm，已磨出溝，軟帶兩側(cè)各有200mm嚴(yán)重剝落區(qū)，最大剝落深度約1mm。在大風(fēng)極限載荷下，傾覆力矩造成套圈沿徑向變形，滾動(dòng)體與滾道的接觸點(diǎn)外移，造成外圈滾道邊緣斷裂、塌陷或被壓潰（圖2）。機(jī)組主動(dòng)變槳時(shí)滾動(dòng)體在滾道上小范圍頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)，加上滾道硬化層厚度薄（經(jīng)測(cè)量?jī)H有1.1～1.4mm，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29717—2013 《滾動(dòng)軸承 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航、變槳軸承》中表9的要求：滾道硬化層應(yīng)在4mm以上），使得在軸承的滾道表面產(chǎn)生等間距的塑性變形壓痕（圖3）。滾動(dòng)體表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕、剝落（圖4）。變槳軸承為過(guò)盈軸承，保持架兜孔因軟帶磨損塌陷，使轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)該位置的鋼球成為自由鋼球，而回轉(zhuǎn)則要靠保持器拉動(dòng)，進(jìn)而使兩側(cè)兜孔發(fā)生磨損（圖5）。

圖3 滾道表面等間隔壓痕（33#機(jī)組01#軸承）

圖4 滾動(dòng)體表面點(diǎn)蝕（顯微鏡100×下觀察，52#機(jī)組01#軸承）

圖5 保持器兜孔及上下沿磨損（39#機(jī)組01#軸承）

2. D公司軸承狀況

25#風(fēng)電機(jī)組02#軸承拆解情況見(jiàn)圖6－圖9，與L公司軸承相同，軸承中普遍有進(jìn)水銹蝕現(xiàn)象及失效狀況，但失效程度更加嚴(yán)重。經(jīng)測(cè)量，D公司的變槳軸承滾道硬化層僅有1.5mm，也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求值。從滾動(dòng)體已造成滾道邊緣塌陷和軸承進(jìn)水等現(xiàn)象來(lái)看，軸承套圈強(qiáng)度不足。而44#風(fēng)電機(jī)組01#軸承情況類(lèi)似，故不再贅述。

通過(guò)拆解分析，得出失效的主要原因?yàn)椋海?）滾道硬化層厚度不達(dá)標(biāo)；（2）滾道軟帶磨損造成軟帶兩側(cè)無(wú)法形成正常的油膜，潤(rùn)滑失效，產(chǎn)生磨損；（3）軸承套圈設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足；（4）軸承密封圈損壞進(jìn)水，使得潤(rùn)滑油膜破壞，造成軸承早期失效。

（二）環(huán)境影響分析

1.臺(tái)風(fēng)影響

在臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間，回旋的風(fēng)向變化快，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的葉片和風(fēng)輪都會(huì)造成強(qiáng)烈的沖擊，使得瞬間作用于軸承上的傾覆力矩增大，可能導(dǎo)致軸承瞬時(shí)受力擠壓，在滾道上產(chǎn)生等間距的壓痕。當(dāng)密封圈進(jìn)水導(dǎo)致表面銹蝕或者軸承潤(rùn)滑不良時(shí)，壓痕會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)磨損進(jìn)而發(fā)展為剝落。同時(shí)，增大的傾覆力矩造成軸承的保持器兜孔發(fā)生徑向變形，滾動(dòng)體與滾道的接觸點(diǎn)外移，最終導(dǎo)致滾道邊緣斷裂或塌陷。

2.長(zhǎng)期受湍流風(fēng)況影響

因大部分風(fēng)電機(jī)組位于地形復(fù)雜的山坡，周邊多陡坡和山溝，這種地理環(huán)境極易產(chǎn)生湍流風(fēng)況。圖10、圖11是平穩(wěn)氣流和湍流的示意圖。當(dāng)氣流遇到障礙形成回流時(shí)，湍流便會(huì)發(fā)生。湍流穿過(guò)葉輪時(shí)，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生剪切和扭轉(zhuǎn)作用力，導(dǎo)致葉片、葉輪和機(jī)艙承受巨大扭矩。雖然風(fēng)電機(jī)組投產(chǎn)時(shí)已采用扇區(qū)管理來(lái)減少湍流的影響，但機(jī)組長(zhǎng)期經(jīng)受湍流沖擊，加劇了變槳機(jī)構(gòu)的磨損，故其工作壽命在一定程度上將大大縮短。

（三）結(jié)構(gòu)磨損

圖6 軟帶磨損及兩側(cè)滾道嚴(yán)重剝落

圖7 滾道邊緣被壓潰

圖8 滾道表面等間隔壓痕

圖9 滾動(dòng)體銹蝕、磨損

根據(jù)文中所述的變槳故障記錄可知，葉片連桿軸的磨損超標(biāo)情況較為普遍，磨損超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)沖擊力作用于變槳結(jié)構(gòu)上，造成零部件連鎖損壞。

（四）控制策略

該型風(fēng)電機(jī)組采用的是變槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)OptiTip?（最佳槳距角），通過(guò)不斷調(diào)整葉片槳距角保證其在不同風(fēng)況下為最佳槳距角。頻繁的主動(dòng)變槳使得滾動(dòng)體在滾道上小范圍頻繁蠕動(dòng)，加之滾道硬化層太薄，造成滾動(dòng)體對(duì)滾道的作用力局部擴(kuò)大化，最終可能導(dǎo)致滾道產(chǎn)生等間距的塑性變形壓痕。當(dāng)變槳期間滾動(dòng)體經(jīng)過(guò)壓痕時(shí)阻力矩突然增大，引發(fā)變槳不暢問(wèn)題。

（五）變槳系統(tǒng)自身設(shè)計(jì)

該型機(jī)組的變槳系統(tǒng)由液壓和機(jī)械傳動(dòng)裝置組成。其中，變槳桿至變槳軸承的傳動(dòng)均由機(jī)械結(jié)構(gòu)完成。變槳桿在葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中承受旋轉(zhuǎn)力矩，而當(dāng)三支葉片承受的彎矩不同時(shí)，將導(dǎo)致三個(gè)軸承在變槳過(guò)程中的阻力矩不一致，一旦單個(gè)軸承阻力矩異常，則使變槳桿承受力矩過(guò)大，造成憋缸或其他部件損壞。此外，若單個(gè)變槳軸承出現(xiàn)故障未能及時(shí)處理，長(zhǎng)期的不平衡運(yùn)轉(zhuǎn)可能引起其他兩個(gè)軸承損壞，進(jìn)而產(chǎn)生較高的維修成本。

（六）變槳軸承安裝不當(dāng)

變槳軸承的周向安裝角度不當(dāng)，軸承內(nèi)圈軟帶處于葉片的0°～90°承載工作區(qū)域。綜合6套變槳軸承的拆解情況，發(fā)現(xiàn)軸承嚴(yán)重剝落損壞的區(qū)域呈現(xiàn)一定的規(guī)律性：基本位于軸承滾動(dòng)體裝卸孔對(duì)側(cè)的0°～90°范圍內(nèi)（承載工作區(qū)域）。

此外，如果現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員對(duì)風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)水平達(dá)不到廠家的專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者對(duì)機(jī)組故障的理解不夠，可能采取不當(dāng)或臨時(shí)的修復(fù)方案，也會(huì)影響變槳軸承的正常運(yùn)行。

三、解決方案

綜合分析變槳軸承機(jī)械部件損壞的成因，根據(jù)實(shí)際情況為變槳軸承及相關(guān)結(jié)構(gòu)制定了多項(xiàng)優(yōu)化方案，包含優(yōu)化軸承設(shè)計(jì)及軸承相關(guān)結(jié)構(gòu)，具體如下。

（一）優(yōu)化變槳軸承設(shè)計(jì)

1.提高變槳軸承套圈的強(qiáng)度

根據(jù)該風(fēng)電場(chǎng)的變槳軸承的載荷譜，對(duì)軸承的強(qiáng)度進(jìn)行重新設(shè)計(jì) （表2）。在保證軸承強(qiáng)度滿足要求的前提下，提高軸承套圈的強(qiáng)度匹配性，避免由于套圈變形超過(guò)密封圈的設(shè)計(jì)壓縮量，導(dǎo)致密封失效軸承進(jìn)水，并避免滾道邊緣被壓潰。

2.采用高集熱激光表面處理技術(shù)

圖10 平穩(wěn)氣流示意圖

圖11 湍流示意圖

表2 重新設(shè)計(jì)變槳軸承的強(qiáng)度

原軸承采用中頻感應(yīng)淬火后的滾道兩側(cè)各有20mm左右的軟帶，而采用高集熱激光表面處理技術(shù)可消除滾道軟帶，增加其滾道強(qiáng)度，避免滾道早期剝落，提高軸承壽命，從根本上克服了軟帶早期磨損給軸承帶來(lái)的巨大隱患。

采用高集熱激光表面處理技術(shù)，滾道硬度可以達(dá)到HRC60±2，層深≥5.0mm，硬度比中頻感應(yīng)淬火提高5～6HRC，不僅增加其抗壓強(qiáng)度及耐磨性，而且提高其疲勞壽命；套圈變形量在0.1mm之內(nèi)，可以保證硬度和硬化層深的均勻性，而中頻感應(yīng)淬火后變形量一般為0.5mm以上，加工后無(wú)法保證滾道硬度和硬化層深的一致性。

3.減小鋼球直徑

L和D公司變槳軸承鋼球偏大，套圈強(qiáng)度較低，在軸承承受較大載荷時(shí)，套圈的變形量大于密封條的壓縮量，造成密封結(jié)構(gòu)失效，使軸承內(nèi)部進(jìn)入水和沙粒等；而新軸承通過(guò)調(diào)整鋼球直徑為φ50.8mm、增加鋼球數(shù)量，不僅可以滿足其載荷要求，而且也提高套圈強(qiáng)度，使其承載能力與密封性能均得到增強(qiáng)。

4.調(diào)整堵塞柱方向

調(diào)整堵塞柱內(nèi)螺紋圓錐銷(xiāo)方向，使其從外圈非基面安裝（之前為基準(zhǔn)面安裝）。在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，若出現(xiàn)問(wèn)題，可僅通過(guò)拆解堵塞柱對(duì)軸承內(nèi)部的鋼球、保持架進(jìn)行檢查或維護(hù)。變槳軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

綜上，采用新制造工藝生產(chǎn)的變槳軸承，其綜合性能及質(zhì)量均優(yōu)于L、D公司的軸承。

（二）優(yōu)化變槳軸承相關(guān)結(jié)構(gòu)

1.機(jī)械部件加固

針對(duì)空心軸、旋轉(zhuǎn)軸承連接螺栓受力斷裂的問(wèn)題，制定空心軸、三角法蘭和旋轉(zhuǎn)軸承的加固方案。通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用部件將空心軸、三角法蘭和旋轉(zhuǎn)軸承三大部件緊固連接為一體，避免了三角法蘭與空心軸之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有效地將空心軸、旋轉(zhuǎn)軸承連接螺栓所承受的交變載荷轉(zhuǎn)移到加固后的專(zhuān)用部件上，避免了旋轉(zhuǎn)軸承與空心軸之間連接螺栓因受軸向剪切力斷裂。該方案可以根據(jù)不同機(jī)型的實(shí)際外形尺寸和螺紋規(guī)格進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行加固，且不改變風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行模式，更不會(huì)因執(zhí)行該方案而增加風(fēng)電機(jī)組故障。液壓變槳軸承的優(yōu)化方案示意圖如圖12所示，而整改后的實(shí)物圖如圖13、14所示。

表3 變槳軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的參數(shù)

2.修復(fù)三角法蘭

（1）修復(fù)三角法蘭上斷裂的固定支耳（安裝變槳導(dǎo)向滑塊）。使用角磨機(jī)分別對(duì)斷裂的支耳和添加的鋼材（與三角法蘭相同材質(zhì)）角磨45°焊接坡口，然后采用J507焊條將二者焊接，最后對(duì)焊接后的成品進(jìn)行打磨處理。

圖12 變槳系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖

圖13 三角法蘭前側(cè)固定加固

圖14 三角法蘭后側(cè)固定加固

（2）修復(fù)三角法蘭中心裝配孔。具體步驟如下：① 測(cè)量三角法蘭中心裝配孔與空心軸磨損間隙；② 根據(jù)測(cè)量磨損間隙值選擇適當(dāng)厚度的高硬度鋼帶，制作成有一定錐度且內(nèi)徑與空心軸外徑尺寸相同的軸套環(huán)，保證與空心軸的同心度；③ 在磨損的三角法蘭中心裝配孔的內(nèi)壁、軸套環(huán)的外壁涂抹超金屬或鋼質(zhì)修復(fù)劑，使用專(zhuān)用工具擠除修復(fù)劑中的空氣，并將軸套環(huán)推入三角法蘭的中心裝配孔內(nèi)；④ 待修復(fù)劑初凝固化后，打磨多余的修復(fù)劑；⑤ 在三角法蘭上重新安裝空心軸和旋轉(zhuǎn)軸承法蘭，并緊固聯(lián)接螺栓。

（三）應(yīng)用效果

該風(fēng)電場(chǎng)自2018年6月起陸續(xù)將損壞的軸承更換為上述新變槳軸承，并對(duì)損壞的變槳軸承相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。截至2018年底，風(fēng)電場(chǎng)有效解決了因機(jī)械磨損嚴(yán)重帶來(lái)的變槳結(jié)構(gòu)受力不均及軸承等變槳部件頻繁損壞的問(wèn)題，同時(shí)，大大延長(zhǎng)了機(jī)組變槳軸承的使用壽命。

運(yùn)行維護(hù)建議

通過(guò)上文的案例分析，對(duì)液壓變槳型風(fēng)電機(jī)組的變槳軸承日常運(yùn)行維護(hù)方面提出以下建議：

（1）葉片軸承初期損壞的主要表現(xiàn)為：運(yùn)行時(shí)伴有較低噪音；油脂中含有少量金屬屑；可變槳，但不觸發(fā)變槳故障等。應(yīng)對(duì)措施為：為確保安全，建議在大風(fēng)期暫停運(yùn)行，并讓機(jī)艙自動(dòng)對(duì)風(fēng)。為進(jìn)一步確認(rèn)軸承的狀態(tài)，可在小風(fēng)期（5m/s以下）啟動(dòng)變槳測(cè)試，采用添加足量新油脂擠出舊油脂的方法，嘗試多次變槳可否消除異響，若異響減小，可在小風(fēng)期試運(yùn)行，并每隔一周在小風(fēng)期添加足量新油并試轉(zhuǎn)；若經(jīng)5次仍無(wú)法消除異響，建議停機(jī)更換變槳軸承。

另外，可通過(guò)每年定期對(duì)傳動(dòng)鏈進(jìn)行油脂的診斷檢測(cè)，該檢測(cè)按照傳動(dòng)部件損壞的程度設(shè)置了四級(jí)檢測(cè)方法，對(duì)應(yīng)著本年度免維護(hù)、正常維護(hù)、部件檢修、部件更換四種維護(hù)策略。風(fēng)電場(chǎng)可據(jù)此制定當(dāng)年傳動(dòng)鏈各部位的維護(hù)計(jì)劃，變目前周期式維護(hù)為精準(zhǔn)維護(hù)，降低維護(hù)成本、延長(zhǎng)部件壽命、避免意外停機(jī)。

攝影：朱小峰

（2）當(dāng)葉片軸承出現(xiàn)以下情況必須立即停機(jī)：滾道嚴(yán)重?fù)p壞；滾道壓塌及壓痕較多；滾動(dòng)體表面點(diǎn)蝕嚴(yán)重；油脂檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)較多磨損物；變槳軸承局部達(dá)到疲勞極限。按軸承的設(shè)計(jì)及使用規(guī)范，建議及時(shí)更換。

（3） 葉片根部防水措施失效時(shí)應(yīng)及時(shí)修復(fù)，避免雨水滲入軸承內(nèi)部。軸承的密封圈若出現(xiàn)漏油、外鼓或破損，應(yīng)及時(shí)更換密封圈。

（4） 機(jī)組運(yùn)行在0°～90°的變槳角度區(qū)間，運(yùn)行多年后，軸承內(nèi)圈下滾道、外圈上滾道壓塌磨損及壓痕較多，建議每5年更換承載位置為另外一個(gè)90°位置。

（5） 若單個(gè)葉片變槳軸承失效，建議將其他兩個(gè)變槳軸承全部更換。更換的變槳軸承可通過(guò)使用激光技術(shù)完成再制造而成為新的產(chǎn)品。

（6） 針對(duì)受湍流影響的風(fēng)電機(jī)組，可通過(guò)采用扇區(qū)管理來(lái)減少湍流導(dǎo)致的變槳軸承額外受載。

（7）當(dāng)變槳故障頻發(fā)或多次出現(xiàn)重復(fù)故障時(shí)，建議風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)及時(shí)咨詢?cè)O(shè)備廠家獲得專(zhuān)業(yè)的解決方案，避免采用臨時(shí)性修復(fù)措施造成更嚴(yán)重的損失。

結(jié)論

針對(duì)運(yùn)行十年以上的液壓變槳型風(fēng)電機(jī)組的變槳軸承機(jī)械故障頻發(fā)，特別是變槳軸承批次性損壞情況，本文給出了變槳軸承優(yōu)化方案及運(yùn)行維護(hù)建議。對(duì)軸承進(jìn)行優(yōu)化處理后不僅降低了變槳軸承的機(jī)械故障發(fā)生率，提高了機(jī)組的可利用率，也降低了運(yùn)行維護(hù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)同類(lèi)型機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。