對某風力發電機組變槳軸承故障的原因分析

張軍昌

摘要 某風力發電場在生產試運行期間，先發生風機葉片變槳軸承卡死故障，后又有多臺風機因變槳軸承故障停機事故，經過查找原因分析，為風機葉片變槳軸承失效所致，最后采取對風電場所有風機變槳軸承進行更換，通過此次事故的處理，給我們留下很多反思。

關鍵詞 風力發電機組；變槳軸承；故障；原因分析

中圖分類號 TM3

文獻標識碼 A

文章編號2095-6363（2015）10-0110-02

1 事故經過

海鹽中電工程風電場安裝20臺浙江運達公司生產的WD115-2000型風力發電機組，風機塔筒高度90米，葉片長度56.5米，葉輪直徑115米，此機型在全國首次大批量投入使用，是新型風力發電機組，2014年1月份20臺風機全部并網發電；自2015年2月份以來，先后有10余臺風機多次發生變槳系統故障停機，主要故障有風機變槳電機過電流、兩槳葉槳距角差值過大等使風機不能正常運行。

2015年3月11日23：30分，運行中的#17風機監控后臺報：安全鏈故障、變槳電機過電流、槳距角差值過大故障停機，在風機監控后臺復歸無效，風機無法運行。

3月12日風機廠家檢查發現變槳電機有焦糊味，測量電機絕緣電阻為零，判斷電機已燒壞，隨后進行更換變槳電機工作，更換新電機后仍不能轉動。

3月13日風機廠家繼續排查變槳電機燒壞的原因，未找到原因，初步判斷懷疑變槳減速箱的故障可能性較大，通知南京高速齒輪廠家人員到現場進行檢查處理。

3月14日南京高速齒輪廠家人員到達現場，對風機葉片變槳系統減速箱解體檢查，結果未發現齒輪箱有問題。

3月15日風機廠家對卡死的變槳電機采取更換編碼器，更換變槳電機驅動器等措施處理，結果葉片不能轉動。

3月20日變槳軸承廠家技術人員到現場，經過檢查評定變槳軸承已經卡死，需返廠檢查，查找原因。

2 處理措施

針對#17風機變槳軸承已卡死，不能轉動的情況，在風機高空無法進行處理，需將風機輪轂及葉片下塔后對卡死的軸承進行檢查，更換處理，由風機廠家編制風力發電機組變槳軸承更換方案，組織專業風機吊裝施工公司進行吊裝及更換，2015年4月1日-8日對#17風機三只葉片變槳軸承進行更換，并將更換下的軸承送至軸承廠家進行撤解檢測。

3 軸承撤解分析

4月21日至4月24日，從中電工程海鹽風電場返廠的#3風機三個變槳軸承在幾方共同見證下在瓦軸工廠進行拆解檢測工作。經過拆解發現運行中卡死的軸承保持架斷裂為三段，另外兩個運行中未出現異響且現場未報過故障的軸承保持架也分別斷裂為兩段和有一處斷裂，具體情況如下。

3.1 編號2014-09-16變槳軸承運行時卡死，現場拆解發現存在以下問題

1）啟動力矩：拆解前對啟動力矩進行檢測，啟動力變化區間在597～810KG。

2）保持架：拆解之后發現上列保持架斷裂三段（槳葉側），下列保持架基本保存完好。

3）滾道：雙滾道都存在壓痕，滾道接觸點向外側發生偏移，上滾道下半圓弧存在壓潰，凸起約1.5mm；內圈橢圓度為0.67mm，外圈橢圓度為0.70mm，滾道硬度約為59-61HRC。

3.2 編號2014-09-18變槳軸承運行時無異響，現場拆解發現存在以下問題

1）啟動力矩：整體力為585～620KG，除去密封圈啟動力為156～189KG，上下單排啟動力分別110～132KG/102～112KG。

2）保持架：拆解之后發現上列保持架斷裂一段（槳葉側），油脂發黑，下列保持架基本保存完好，油脂保持原色。

3）軸徑向跳動分別為0.16/0.20mm，齒跳為0.35mm，內圈安裝孔槳葉側端面存在2處壓痕，與螺栓分度圓相切處并沿軸向存在幾處6～7cm長的拉痕。

4）淬火情況：硬度約60HRC，淬火深度為3.7～4.2mm。

3.3 編號2014-09-17變槳軸承運行時無異響，現場拆解發現存在以下問題

1）啟動力矩：整體力為727～950KG，除去密封圈啟動力為223～270KG。

2）保持架：拆解之后發現上列保持架斷裂二段（槳葉側），油脂發黑，下列保持架基本保存完好，油脂發黑。

3.4 針對軸承拆解過程中發現的現象，可以認為軸承存在批量質量問題。風機廠家提出以下看法

1）現場測量發現軸承滾道淬火層厚度不符合設計圖紙要求，瓦軸方面應從加工工藝方面排查保持架變形斷裂原因。

2）瓦軸需測量保持架的大小與軸承滾道是否匹配。

3.5 瓦軸方面提出以下看法

1）從目前拆解的四個軸承的損壞情況來看，軸承存在批量質量問題。要求風機廠家重新提供葉片載荷原始數據和軸承與輪轂、葉片與輪轂之間相關連接件的參數，以便瓦軸從設計上重新進行系統性的分析，確定是否存在設計缺陷。

2）由于拆解軸承中發現與葉片連接螺栓面存在明顯的磨損痕跡和螺紋變形現象，風機廠家應排查葉片現場安裝工藝是否存在問題。

3）瓦軸提出下次更換軸承時需到海鹽風電場全程參與軸承拆卸過程并在現場對軸承檢測，具體形式待各方協商后確定。

4 軸承分析結論

為查找變槳軸承卡死根本原因，軸承廠家成立了專項工作組，對返廠的變槳軸承進行細致的檢驗與分析，開展了包括外觀檢查、金相檢驗及模擬分析等大量工作。

1）軸承外觀檢驗發現：滾道表面存在多條軸向壓痕，鋼球與外圈滾道、內圈滾道接觸軌跡均偏向溝口部位，溝口出現擠壓變形，保持架斷口位于兜孔中部兩側，其截面呈典型的受較大拉力引起的斷裂形貌，與斷口部位相鄰的兜孔中部兩側亦存在不同程度的拉伸變形。

2）熱處理質量檢驗：對外圈滾道局部取樣檢驗，結果顯示滾道淬火不均，溝口部位淬火硬化層深度較淺，距擋邊約4mm處未淬火。

3）軸承失效機理分析：經檢驗，故障軸承滾道表面存在多條軸向壓痕，痕跡延伸至溝口邊緣。軸承在較大的覆力矩作用下，鋼球產生向滾道溝口處偏移的趨勢。由于溝口處淬火硬化層沒有到達擋邊，未淬火處距擋邊月4mm，致使該區域滾道接觸強度不足，無法對鋼球起到有效支撐進而引起變形，隨變形量不斷加大，鋼球向溝口部位偏移的程度亦逐加重，直至擠壓溝口邊緣并使該區域產生嚴重的變形。溝道嚴重變形后，阻礙了鋼球的正常運轉，使得鋼球在進、出承載區時轉速不均。經模擬分析，兜孔中部兩側為保持架強度相對較弱部位，該部位受到鋼球間因轉速不同產生的拉伸力反復作用，逐漸變形并萌發裂紋，裂紋進一步擴展為開裂。

此批次變槳軸承失效為套圈滾道淬火質量不合格所致。對該批次變槳軸承進行更換處理。

5 結論與建議

風力發電作為一種新型清潔能源，在國際上得到很多國家的認可，是優先的能源發展方向，近幾年，我國風電裝機發展較快，已成為全球第一風機裝機大國，僅國家能源局列入“十二五”第五批風電核準計劃的項目共計3400萬千萬，這還不包括新疆、吉林、遼寧等棄風限電較大的地區；這就導致風機供不應求，風機廠家在選配件時，沒有主動權，這就使近幾年來風機大部件多次出現批次質量問題，給風機廠家、生產企業帶來嚴重的經濟損失，因此，對風機生產廠家有以下建議。

1）風機生產廠家面對當今激烈的市場競爭，一定要嚴把質量關，嚴把風機配件關，如質量關把不好，這將給企業帶來嚴重的災難。

2）風機生產廠家要重視研發，從資金、技術、人力方面加大投入，適應市場需求；對新研發機型，從模型、樣機，到投入批量生產，要經過充分的設計、論證、變更、優化等步驟進行，在國外一種新機型從研發到投入批量生產至少需要3-5年的時間，而在國內做此項工作時間只有1-2年就進入批量生產，應用時間太短，一旦出現問題，變更、優化、糾正的難度很大，這也給后續生產埋下隱患。