風(fēng)電齒輪箱軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕的原因分析及預(yù)防措施

楊擴嶺 趙愛龍

摘要：齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機組的關(guān)鍵部件之一，而軸承是齒輪箱中的關(guān)鍵部件。風(fēng)電齒輪箱的長期放置和運輸振動過程，容易使軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕，嚴(yán)重的偽布氏壓痕將引起軸承滾動體和套圈應(yīng)力集中，降低滾動體和軸承套圈的斷裂強度，導(dǎo)致軸承損傷，損傷會進一步導(dǎo)致齒輪箱產(chǎn)生噪聲，甚至引起齒輪箱劇烈振動，存在使機組產(chǎn)生共振的風(fēng)險?，F(xiàn)通過對風(fēng)電齒輪箱軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕的案例進行分析，指出了偽布氏壓痕的產(chǎn)生原因，并提供了檢測方法和預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電齒輪箱;軸承;偽布氏壓痕

0? ? 引言

齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機組中的關(guān)鍵部件，常受到變載荷和強陣風(fēng)的沖擊，軸承是齒輪箱中最薄弱的環(huán)節(jié)之一[1]。軸承損壞的原因有很多，如偽布氏壓痕、潤滑不良、裝配不對中、沖擊過載及自然磨損等。其中，偽布氏壓痕是一種常見的導(dǎo)致軸承損傷的因素，偽布氏壓痕的產(chǎn)生將導(dǎo)致軸承在壓痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中，遇沖擊載荷，軸承會產(chǎn)生點蝕、磨損，嚴(yán)重影響了軸承使用壽命[2]。本文基于齒輪箱產(chǎn)生偽布氏壓痕的案例，對偽布氏壓痕的產(chǎn)生進行了原因分析，并提供了檢測方法和預(yù)防措施。

1? ? 軸承布式壓痕案例

1.1? ? 齒輪箱結(jié)構(gòu)形式及軸承介紹

目前雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱多是采用行星-平行軸混合傳動的緊湊結(jié)構(gòu)形式[3]，隨著機組功率等級升高，齒輪箱所受載荷不斷增大，目前功率等級較小的齒輪箱結(jié)構(gòu)一般為一級行星加兩級平行軸，功率等級高的一般為兩級行星加一級平行軸。

齒輪箱輸入端為低速重載工況，一般采用帶擋邊的滿裝圓柱滾子軸承。軸承主要承受徑向載荷和部分軸向載荷，輸入端軸承需要承受主軸傳遞的扭矩和行星架組件自身的重力，承受的載荷高于中間級和高速級軸承。中間級和高速級一般采用圓柱滾子加兩個配對圓錐軸承，圓柱滾子軸承承受徑向載荷，配對圓錐滾子軸承承受軸向載荷和徑向載荷[4]。

1.2? ? 布式壓痕案例介紹

有一批庫存5年以上的某型號風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱，結(jié)構(gòu)為兩級行星加一級平行軸。由于齒輪箱一直存放在庫房中，為確認齒輪箱內(nèi)部軸承和齒輪的狀態(tài)，對齒輪箱重新進行了型式試驗及拆箱檢查。齒輪箱拆解過程中發(fā)現(xiàn)齒輪箱部分軸承的外圈和滾動體接觸處出現(xiàn)多條亮線，且部分亮線處用指甲劃過有明顯的觸感，這些亮線即為偽布氏壓痕。

拆檢后對軸承產(chǎn)生壓痕的情況進行了對比，發(fā)現(xiàn)齒輪箱一級行星架上風(fēng)向的圓柱滾子軸承滾子和軸承內(nèi)圈均存在壓痕，壓痕有明顯觸感。二級行星和高速級軸承只有部分位置的軸承存在壓痕，且壓痕的觸感不明顯。

根據(jù)齒輪箱軸承的拆解對比結(jié)果，齒輪箱的一級行星架上風(fēng)向軸承均存在偽布氏壓痕，且觸感明顯;二級行星和高速級軸承只是部分位置的軸承產(chǎn)生了輕微壓痕，可見齒輪組件的承載越重，軸承越容易出現(xiàn)偽布氏壓痕。

2? ? 軸承偽布式壓痕產(chǎn)生原因分析

軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕是軸承滾子與滾道間產(chǎn)生微小振動，滾動體和滾道的接觸部分由于振動和搖動造成初期磨損，持續(xù)的微動磨損在同一位置繼續(xù)發(fā)展，而產(chǎn)生的類似布氏壓痕的印痕。產(chǎn)生原因可能有配合過松、軸承選擇不當(dāng)、振動沖擊等[5]。

齒輪箱發(fā)運過程中不可避免地會產(chǎn)生振動和沖擊，可能導(dǎo)致軸承滾子和滾道間產(chǎn)生初期的振動磨損。根據(jù)齒輪箱的存放要求，齒輪箱應(yīng)存放于沒有震動的地方，如果存放時間超過6個月，應(yīng)注入一定量的潤滑油，盤動齒輪箱，改變齒輪箱齒輪的嚙合位置及軸承滾子、滾道的相對位置，并使齒輪和軸承表面再次形成油膜，防止齒輪和軸承產(chǎn)生微動破壞。齒輪箱實際存放過程中，車間無電動盤車裝置，按照要求齒輪箱廠家須定期帶盤車裝置進行齒輪箱的維護盤車，但實際存放過程中齒輪箱的維護盤車周期約為一年進行一次，超出規(guī)定的時間范圍。且齒輪箱在車間廠房存放期間，車間進行其他機組裝配，零部件的吊運過程會導(dǎo)致車間地面產(chǎn)生震動，因此導(dǎo)致齒輪箱內(nèi)部軸承滾子和內(nèi)外圈滾道之間產(chǎn)生微振，且齒輪箱為無油存放，軸承滾子和滾道間無潤滑油膜，齒輪箱的存放條件惡劣也導(dǎo)致了軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕。

綜上所述，齒輪箱存放及運輸過程中軸承振動和潤滑不良是齒輪箱軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕的主要原因。

3? ? 壓痕程度判定及預(yù)防措施

由于風(fēng)電機組齒輪箱軸承使用工況特殊，一旦需要拆卸和更換軸承就要將齒輪箱下塔，更換成本較高，因此要求軸承能夠滿足20年的使用壽命。軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕后，在滾子和滾道上形成了初始磨損或凹坑，齒輪箱運轉(zhuǎn)過程中會造成軸承滾子和內(nèi)外圈之間產(chǎn)生應(yīng)力集中，特別是齒輪箱輸入端易產(chǎn)生偽布式壓痕的軸承，承受低速重載的過程中，凹坑處形成沖擊載荷，將嚴(yán)重縮短軸承壽命。因此，有必要制定合適的判斷方法確定出現(xiàn)偽布氏壓痕的軸承損壞程度，判斷其能否繼續(xù)使用，并制定合理的預(yù)防措施，有效防止軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕。

3.1? ? 壓痕程度判定

目前行業(yè)內(nèi)判定軸承偽布式壓痕的嚴(yán)重程度主要使用觸摸法，該方法是軸承廠家推薦的一種經(jīng)驗法，具體方法是使用手指指肚去觸摸軸承表面，如果壓痕能夠被感覺到，則不能使用;如感覺不到則可以繼續(xù)使用。該方法僅能憑借經(jīng)驗進行判斷，無法定量對軸承損壞程度作出判定，且容易因?qū)嶋H操作人員對觸摸感覺的不同作出不同的判定結(jié)果。

為避免出現(xiàn)對軸承偽布式壓痕損傷程度作出誤判，抽取了5臺某型號機組齒輪箱，對一級行星架上風(fēng)向和二級行星架上、下風(fēng)向的軸承內(nèi)圈偽布式壓痕處進行了粗糙度測量，并對壓痕處實測粗糙度值進行了匯總對比，結(jié)合軸承廠家的建議，得出了使用粗糙度測量法對軸承出現(xiàn)偽布式壓痕的損壞程度作出判斷的經(jīng)驗。

粗糙度測量法具體操作為：使用手持式粗糙度檢測儀檢測軸承粗糙度，將探針與被測表面貼合，檢測過程中使探針垂直于被測壓痕，然后讀取檢測儀器上的粗糙度值。由于該方法實施過程中探針與軸承表面的貼合度不同會影響測得的實際數(shù)值，因此每條壓痕重復(fù)測量5次，然后取測得粗糙度的平均值作為最終檢測結(jié)果。