雙饋風力發電機軸承振動加速度超差原因及對策分析

電機軸承異音是頻率為20～20 kHz時可以被人耳識別的電機非正常聲音，在電機試驗及使用中電機軸承振動及異音一直是困擾電機制造及使用者的重大難題。軸承振動異音長期發生會造成電機軸承振動增大，大大縮短使用壽命，如果不及時調整或更換軸承會損壞電機軸承室或轉軸，嚴重的會造成電機轉子堵轉后電機連線燒損，更嚴重的會造成電機掃鏜等重大質量事故，使電機無法正常使用。

為探究軸承異音發生的原因，按照GB 10068—2008《軸中心高為56 mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值》要求，通過VM-63A手持式測振儀及EN900C便攜式振動分析儀對兩端深溝球軸承異音電機進行軸承振動監測，發現電機軸承出現異音的時候，電機軸承振動加速度都會瞬時急速升高。因此對影響振動加速度的因素進行研究并找出相應的控制策略，使加速度值符合GB 10068—2008的規定，是減少甚至消除電機軸承振動及異音的關鍵。為降低振動加速度，本文在分析軸承振動加速度超差原因的基礎上進行了試驗驗證，并提出了相應的解決對策。

軸承振動加速度超差的原因

一、軸承潤滑不良

軸承在使用時合理使用潤滑脂，保證油脂稠度及粘度的穩定性，使軸承在旋轉過程中保證鋼材表面形成一層穩定油膜，可減少摩擦，降低軸承振動加速度，提高軸承使用壽命。在潤滑脂中加入添加劑，加強潤滑油膜的強度，確保軸承最佳負荷能力，可進一步減少摩擦，大大降低軸承振動加速度，進一步延長軸承使用壽命。

二、軸承室配合尺寸超差

軸承室與軸承的配合公差直接影響軸承的游隙，軸承室與軸承外圈過贏配合大，造成軸承游隙過小，電機在高速旋轉時可改善軸承振動數值，但會導致軸承急速溫升使軸承燒死而報廢。軸承室與軸承外圈間隙配合過大，造成軸承外圈跑圈，損壞軸承室，增大軸承振動，縮短軸承壽命。

三、軸承預緊力不夠

軸承的預緊主要作用為提高剛性、減低噪聲、提高軸引導的精度、補償在運行中的磨損、延長工作壽命；對于兩端深溝球軸承的電機結構，通常軸承采用的是彈簧預緊，故彈簧的預緊力大小對電機軸承振動加速度影響較大。電機結構及模型圖如圖1所示。

根據電機結構及胡克定律計算，前端軸承預緊力為：

四、電機定轉子不對中

如果發電機定轉子軸向對稱中心偏置，會造成電機定轉子產生的軸向磁拉力增大；電機定轉子有徑向通風槽的電機，通風槽在旋轉過程中起到風扇的作用，為了保證風路暢通，會產生軸向拉力；軸向電磁拉力與風扇軸向力，方向相同。如果兩力之和與軸承預緊力相反會降低軸承預緊力，如果相同則可以增加前軸承的軸向預緊力。故控制電機定轉子軸向對稱中心偏移量對電機軸承振動加速度影響較大。

圖1 電機結構及軸承模型圖

試驗驗證

為了有效排除電機以外的振動，電機在靜止狀態下對試驗臺進行振動加速度檢測，檢測結果如表1所示。

從數據結果不難看出，電機試驗臺及空冷器電機對整機軸承振動影響不大，在此可忽略不計。

一、潤滑脂驗證

根據風電場常用潤滑脂的選用，對美孚SHC100潤滑脂及克魯勃KLUBERBEM41-141潤滑脂性能進行對比，結果如表2所示。

將同一電機在水平狀態下使用相同體積的美孚SHC100和克魯勃KLUBERBEM41-141兩種潤滑脂進行振動加速度檢測數據對比，結果如表3所示。

同一電機分別加注等量SHC100及KLUBERBEM41-141的兩次水平試驗結果比較表明，加注KLUBERBEM41-141潤滑脂后電機振動加速度幅值明顯減小，潤滑脂對電機軸承振動加速度有較大影響。

表1 電機自身以外的振動加速度

表2 潤滑脂性能對比

表3 SHC100和KLUBERBEM41-141潤滑脂水平振動加速度檢測數據

表4 端蓋軸承室涂鍍前后軸承振動加速度檢測數據

二、軸承室配合尺寸驗證

根據公司產品雙溝球軸承結構特點，涂鍍軸承室內圈減小配合間隙，使軸承室與軸承外圈單邊間隙由0.35mm減小到單邊0.01～0.015mm，并進行軸承壽命計算，兩次試驗同樣加注KLUBERBEM41-141軸承潤滑脂，試驗前后電機軸承振動數據對比如表4所示。

試驗結果數據表明：在軸承室配合公差改變前后，電機軸承振動加速度值整體減小，電機前端軸承振動加速度明顯大于后端軸承振動加速度。軸承室配合公差對電機軸承振動加速度有一定影響。

三、軸承預緊力驗證

經分析試驗數據，發現電機驅動端振動加速度幅值遠遠高于電機非驅動端振動幅值；經分析研究發現電機結構較長，前端軸承預緊力傳遞效果不良，致使前端軸承預緊力不夠。將電機后端軸承蓋進行改制，軸承預緊彈簧數量由42個增加至52個，從而增加軸承預緊力，兩次試驗同樣加注克魯勃KLUBERBEM41-141軸承潤滑脂進行對比試驗。試驗結果為前端三方向的振動加速度由4.3m/s2降至3.2 m/s2，后端三方向的振動加速度由2.0m/s2升至2.5 m/s2。增加彈簧數量后，預緊力傳遞到前端軸承，前段軸承預緊力增大，振動加速度明顯下降并合格。軸承預緊力對電機軸承振動加速度影響較大，可能是主要原因。

四、模擬工況驗證

根據軸承計算報告，結合電機軸承結構，模擬風電場運行環境，比較電機傾斜試驗結果，電機傾斜后前端軸承預緊力增加，達到電機設計時軸承選型的額定設計預緊力。

選取加注KLUBERBEM41-141潤滑脂水平放置的試驗電機，模擬風電場裝機狀態，把電機驅動端抬高5°進行空載振動監測比較，結果如表5所示。

電機模擬實際運行工況前端抬高5°傾斜試驗比較結果表明，電機在傾斜狀態下前端軸承振動加速度明顯下降，后端無明顯變化，且滿足GB 10068—2008 《軸中心高為56 mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值》標準規定電機空載振動加速度≤3.6m/s2的要求。故采取措施增加軸承前端軸承預緊力對降低電機前端軸承振動加速度至關重要。

五、電機定轉子中心對齊驗證

在電機抽檢過程中，發現電機的定轉子鐵心中心沒有對齊，基本偏差都在3～5mm，且都是轉子鐵心的中心線相對于定子鐵心的中心線往非傳動端偏移，電機啟動后，電磁拉力及電機風路的軸向分力抵消前端軸承的軸向預緊力。故在前端蓋與機座之間及后端內軸承蓋與軸承室之間增加3mm墊圈，使轉子鐵芯整體向傳動端移動，達到定轉子鐵心中心線基本對齊并進行水平空轉試驗。監測試驗數據如表6所示。

調整電機定轉子中心，減小電磁力及電機風路的軸向分力與彈簧預緊力對前端軸承預緊力的影響，電機軸承聲響及振動加速度明顯改善并都合格。調整電機定轉子對中可改善電機前端軸承預緊力，解決電機軸承異音。

表5 電機前端水平與抬高5°試驗數據

表6 定轉子中心調整前后振動加速度數據

表7 調整電機定轉子對中前后，軸承振動加速度及軸溫升數據

效果驗證

對試驗合格電機進行多次復測，數據沒有明顯變化，與工藝試驗數據基本一致。對該電機進行長時溫升試驗，檢測電機軸承溫升狀況，結果如表7所示。

電機在調整定轉子中心對齊前后長時溫升對比表明，保證前端軸承預緊力后，前后端軸承溫升都有下降，前端軸承溫升下降明顯，并符合電機出廠要求。

解決對策

同一臺電機加注等量的SHC100及KLUBERBEM41-141兩種不同潤滑脂，在相同工況下稠度、粘度較高且添加極壓添加劑的克魯勃KLUBERBEM41-141潤滑脂潤滑表現良好。此外，選擇合理的軸承室配合公差，控制電機定轉子對齊，將電機傳動端抬高5°模擬實際運行工況，保證電機前后端軸承達設計預緊力要求，都能使電機振動加速度減小且異音消失。

結論

本文主要針對目前雙饋電機制造過程中影響軸承振動加速度的因素進行了分析驗證，并找出相應解決措施。對于電機設計過程中電磁參數的優化、設計與制作過程的基準統一、試驗電源質量的影響等還需深入研究。

電機軸承異音一直是困擾電機正常運行的難題，作者深知此課題的研究任重而道遠，愿此篇文章的結論能對雙饋風力發電機空載試驗的軸承異音判斷及解決提供幫助。