風電液壓型變槳軸承失效機制及優化方案研究

文|王劍彬，孟鵬飛，姚兵印

變槳軸承作為風電機組變槳系統的關鍵零件，直接影響整個變槳過程的連貫性、穩定性以及精準性，所以，變槳軸承的正確運行與維護是提高其使用壽命、使風電機組長期穩定運轉的有力保障。變槳軸承的受力情況復雜，要承受沖擊、振動和很大傾覆力矩，且部分裸露在外，易受沙塵、鹽霧、冰凍、冷凝水等污染的侵害，在風電機組部件中失效頻率較高，其失效分析和優化一直是風電領域研究的熱點。目前行業內的研究主要為變槳軸承的微動磨損、漏油和斷裂等原因分析以及相應防護措施，但對批次性損壞的研究較少，在失效分析中又常忽略環境、設計等因素。

本文主要以某型850kW機組變槳軸承批次性損壞為案例，結合軸承拆解結果，分析變槳軸承損壞原因；在此基礎上，提出多項軸承優化方案，并給出日常運維建議。

變槳軸承損壞案例

某海島風電場裝機容量為45.05MW，共有某型850kW風電機組53臺，于2007年投產發電。風電場年平均風速約為6.65m/s，平均年利用小時數約為2255h。因風電場位于近海區域，臺風頻繁過境，每年至少有4～5次臺風經過，投產至今已累計達60次以上。此外，該風電場的大部分風電機組位于地形復雜的山坡，且周邊多陡坡和山溝，故長期在湍流風況下運行。該型風電機組的變槳系統采用液壓驅動。

一、機組變槳故障概況

2017年底至2018年初，該風電場多臺風電機組頻繁出現變槳系統故障，如表1所示。由表可知，多臺風電機組的變槳液壓缸、變槳桿、空心軸、三角法蘭、連接曲柄、變槳結構連接螺栓、變槳軸承都有不同程度的損壞。其中4個變槳軸承損壞，造成較大的損失。另外，還有部分風電機組的變槳軸承存在異常噪音等。部分風電機組在維修后仍然故障頻發，失效的軸承只能進行更換，產生了較高的運維成本。

表1 主要變槳系統故障記錄

二、變槳軸承失效分析

本文通過拆解6套損壞的軸承，找出軸承失效的主要原因。另外，還從環境、結構磨損、控制策略、變槳系統自身設計、變槳軸承安裝不當等方面對變槳軸承損壞原因進行了分析。

（一）軸承拆解分析

2018年1月，對6套損壞的軸承進行了拆解，軸承分別為：25#機組的02#軸承，44#機組的01#軸承，33#機組的01#軸承，39#機組的01#軸承，52#機組的01#、02#軸承。以上機組的軸承分屬兩家公司，簡稱L和D公司，其中33#、39#、52#屬于L公司，25#、44#屬于D公司，拆解后的檢查結果如下。

1. L公司軸承狀況

圖1 軟帶磨損及兩側滾道嚴重剝落

圖2 滾道邊緣被壓潰（52#機組02#軸承）

由圖1可見，52#風電機組01#軸承內有銹蝕痕跡，內圈滾道軟帶寬約20mm，已磨出溝，軟帶兩側各有200mm嚴重剝落區，最大剝落深度約1mm。在大風極限載荷下，傾覆力矩造成套圈沿徑向變形，滾動體與滾道的接觸點外移，造成外圈滾道邊緣斷裂、塌陷或被壓潰（圖2）。機組主動變槳時滾動體在滾道上小范圍頻繁轉動，加上滾道硬化層厚度薄（經測量僅有1.1～1.4mm，參考國家標準GB/T 29717—2013 《滾動軸承 風力發電機組偏航、變槳軸承》中表9的要求：滾道硬化層應在4mm以上），使得在軸承的滾道表面產生等間距的塑性變形壓痕（圖3）。滾動體表面產生點蝕、剝落（圖4）。變槳軸承為過盈軸承，保持架兜孔因軟帶磨損塌陷，使轉動經過該位置的鋼球成為自由鋼球，而回轉則要靠保持器拉動，進而使兩側兜孔發生磨損（圖5）。

圖3 滾道表面等間隔壓痕（33#機組01#軸承）

圖4 滾動體表面點蝕（顯微鏡100×下觀察，52#機組01#軸承）

圖5 保持器兜孔及上下沿磨損（39#機組01#軸承）

2. D公司軸承狀況

25#風電機組02#軸承拆解情況見圖6－圖9，與L公司軸承相同，軸承中普遍有進水銹蝕現象及失效狀況，但失效程度更加嚴重。經測量，D公司的變槳軸承滾道硬化層僅有1.5mm，也達不到標準要求值。從滾動體已造成滾道邊緣塌陷和軸承進水等現象來看，軸承套圈強度不足。而44#風電機組01#軸承情況類似，故不再贅述。

通過拆解分析，得出失效的主要原因為：（1）滾道硬化層厚度不達標；（2）滾道軟帶磨損造成軟帶兩側無法形成正常的油膜，潤滑失效，產生磨損；（3）軸承套圈設計強度不足；（4）軸承密封圈損壞進水，使得潤滑油膜破壞，造成軸承早期失效。

（二）環境影響分析

1.臺風影響

在臺風過境期間，回旋的風向變化快，對風電機組的葉片和風輪都會造成強烈的沖擊，使得瞬間作用于軸承上的傾覆力矩增大，可能導致軸承瞬時受力擠壓，在滾道上產生等間距的壓痕。當密封圈進水導致表面銹蝕或者軸承潤滑不良時，壓痕會開始出現磨損進而發展為剝落。同時，增大的傾覆力矩造成軸承的保持器兜孔發生徑向變形，滾動體與滾道的接觸點外移，最終導致滾道邊緣斷裂或塌陷。

2.長期受湍流風況影響

因大部分風電機組位于地形復雜的山坡，周邊多陡坡和山溝，這種地理環境極易產生湍流風況。圖10、圖11是平穩氣流和湍流的示意圖。當氣流遇到障礙形成回流時，湍流便會發生。湍流穿過葉輪時，會對其產生剪切和扭轉作用力，導致葉片、葉輪和機艙承受巨大扭矩。雖然風電機組投產時已采用扇區管理來減少湍流的影響，但機組長期經受湍流沖擊，加劇了變槳機構的磨損，故其工作壽命在一定程度上將大大縮短。

（三）結構磨損

圖6 軟帶磨損及兩側滾道嚴重剝落

圖7 滾道邊緣被壓潰

圖8 滾道表面等間隔壓痕

圖9 滾動體銹蝕、磨損

根據文中所述的變槳故障記錄可知，葉片連桿軸的磨損超標情況較為普遍，磨損超標會導致動態沖擊力作用于變槳結構上，造成零部件連鎖損壞。

（四）控制策略

該型風電機組采用的是變槳調節系統OptiTip?（最佳槳距角），通過不斷調整葉片槳距角保證其在不同風況下為最佳槳距角。頻繁的主動變槳使得滾動體在滾道上小范圍頻繁蠕動，加之滾道硬化層太薄，造成滾動體對滾道的作用力局部擴大化，最終可能導致滾道產生等間距的塑性變形壓痕。當變槳期間滾動體經過壓痕時阻力矩突然增大，引發變槳不暢問題。

（五）變槳系統自身設計

該型機組的變槳系統由液壓和機械傳動裝置組成。其中，變槳桿至變槳軸承的傳動均由機械結構完成。變槳桿在葉輪旋轉過程中承受旋轉力矩，而當三支葉片承受的彎矩不同時，將導致三個軸承在變槳過程中的阻力矩不一致，一旦單個軸承阻力矩異常，則使變槳桿承受力矩過大，造成憋缸或其他部件損壞。此外，若單個變槳軸承出現故障未能及時處理，長期的不平衡運轉可能引起其他兩個軸承損壞，進而產生較高的維修成本。

（六）變槳軸承安裝不當

變槳軸承的周向安裝角度不當，軸承內圈軟帶處于葉片的0°～90°承載工作區域。綜合6套變槳軸承的拆解情況，發現軸承嚴重剝落損壞的區域呈現一定的規律性：基本位于軸承滾動體裝卸孔對側的0°～90°范圍內（承載工作區域）。

此外，如果現場運行人員對風電機組的維護水平達不到廠家的專業標準或者對機組故障的理解不夠，可能采取不當或臨時的修復方案，也會影響變槳軸承的正常運行。

三、解決方案

綜合分析變槳軸承機械部件損壞的成因，根據實際情況為變槳軸承及相關結構制定了多項優化方案，包含優化軸承設計及軸承相關結構，具體如下。

（一）優化變槳軸承設計

1.提高變槳軸承套圈的強度

根據該風電場的變槳軸承的載荷譜，對軸承的強度進行重新設計 （表2）。在保證軸承強度滿足要求的前提下，提高軸承套圈的強度匹配性，避免由于套圈變形超過密封圈的設計壓縮量，導致密封失效軸承進水，并避免滾道邊緣被壓潰。

2.采用高集熱激光表面處理技術

圖10 平穩氣流示意圖

圖11 湍流示意圖

表2 重新設計變槳軸承的強度

原軸承采用中頻感應淬火后的滾道兩側各有20mm左右的軟帶，而采用高集熱激光表面處理技術可消除滾道軟帶，增加其滾道強度，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的巨大隱患。

采用高集熱激光表面處理技術，滾道硬度可以達到HRC60±2，層深≥5.0mm，硬度比中頻感應淬火提高5～6HRC，不僅增加其抗壓強度及耐磨性，而且提高其疲勞壽命；套圈變形量在0.1mm之內，可以保證硬度和硬化層深的均勻性，而中頻感應淬火后變形量一般為0.5mm以上，加工后無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，套圈強度較低，在軸承承受較大載荷時，套圈的變形量大于密封條的壓縮量，造成密封結構失效，使軸承內部進入水和沙粒等；而新軸承通過調整鋼球直徑為φ50.8mm、增加鋼球數量，不僅可以滿足其載荷要求，而且也提高套圈強度，使其承載能力與密封性能均得到增強。

4.調整堵塞柱方向

調整堵塞柱內螺紋圓錐銷方向，使其從外圈非基面安裝（之前為基準面安裝）。在軸承運轉過程中，若出現問題，可僅通過拆解堵塞柱對軸承內部的鋼球、保持架進行檢查或維護。變槳軸承優化設計前后的參數對比見表3。

綜上，采用新制造工藝生產的變槳軸承，其綜合性能及質量均優于L、D公司的軸承。

（二）優化變槳軸承相關結構

1.機械部件加固

針對空心軸、旋轉軸承連接螺栓受力斷裂的問題，制定空心軸、三角法蘭和旋轉軸承的加固方案。通過設計專用部件將空心軸、三角法蘭和旋轉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運動，有效地將空心軸、旋轉軸承連接螺栓所承受的交變載荷轉移到加固后的專用部件上，避免了旋轉軸承與空心軸之間連接螺栓因受軸向剪切力斷裂。該方案可以根據不同機型的實際外形尺寸和螺紋規格進行相應優化，在原有結構基礎上進行加固，且不改變風電機組運行模式，更不會因執行該方案而增加風電機組故障。液壓變槳軸承的優化方案示意圖如圖12所示，而整改后的實物圖如圖13、14所示。

表3 變槳軸承優化設計前后的參數

2.修復三角法蘭

（1）修復三角法蘭上斷裂的固定支耳（安裝變槳導向滑塊）。使用角磨機分別對斷裂的支耳和添加的鋼材（與三角法蘭相同材質）角磨45°焊接坡口，然后采用J507焊條將二者焊接，最后對焊接后的成品進行打磨處理。

圖12 變槳系統優化方案示意圖

圖13 三角法蘭前側固定加固

圖14 三角法蘭后側固定加固

（2）修復三角法蘭中心裝配孔。具體步驟如下：① 測量三角法蘭中心裝配孔與空心軸磨損間隙；② 根據測量磨損間隙值選擇適當厚度的高硬度鋼帶，制作成有一定錐度且內徑與空心軸外徑尺寸相同的軸套環，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壁、軸套環的外壁涂抹超金屬或鋼質修復劑，使用專用工具擠除修復劑中的空氣，并將軸套環推入三角法蘭的中心裝配孔內；④ 待修復劑初凝固化后，打磨多余的修復劑；⑤ 在三角法蘭上重新安裝空心軸和旋轉軸承法蘭，并緊固聯接螺栓。

（三）應用效果

該風電場自2018年6月起陸續將損壞的軸承更換為上述新變槳軸承，并對損壞的變槳軸承相關結構進行了優化。截至2018年底，風電場有效解決了因機械磨損嚴重帶來的變槳結構受力不均及軸承等變槳部件頻繁損壞的問題，同時，大大延長了機組變槳軸承的使用壽命。

運行維護建議

通過上文的案例分析，對液壓變槳型風電機組的變槳軸承日常運行維護方面提出以下建議：

（1）葉片軸承初期損壞的主要表現為：運行時伴有較低噪音；油脂中含有少量金屬屑；可變槳，但不觸發變槳故障等。應對措施為：為確保安全，建議在大風期暫停運行，并讓機艙自動對風。為進一步確認軸承的狀態，可在小風期（5m/s以下）啟動變槳測試，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，可在小風期試運行，并每隔一周在小風期添加足量新油并試轉；若經5次仍無法消除異響，建議停機更換變槳軸承。

另外，可通過每年定期對傳動鏈進行油脂的診斷檢測，該檢測按照傳動部件損壞的程度設置了四級檢測方法，對應著本年度免維護、正常維護、部件檢修、部件更換四種維護策略。風電場可據此制定當年傳動鏈各部位的維護計劃，變目前周期式維護為精準維護，降低維護成本、延長部件壽命、避免意外停機。

攝影：朱小峰

（2）當葉片軸承出現以下情況必須立即停機：滾道嚴重損壞；滾道壓塌及壓痕較多；滾動體表面點蝕嚴重；油脂檢驗發現較多磨損物；變槳軸承局部達到疲勞極限。按軸承的設計及使用規范，建議及時更換。

（3） 葉片根部防水措施失效時應及時修復，避免雨水滲入軸承內部。軸承的密封圈若出現漏油、外鼓或破損，應及時更換密封圈。

（4） 機組運行在0°～90°的變槳角度區間，運行多年后，軸承內圈下滾道、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90°位置。

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

（6） 針對受湍流影響的風電機組，可通過采用扇區管理來減少湍流導致的變槳軸承額外受載。

（7）當變槳故障頻發或多次出現重復故障時，建議風電場應及時咨詢設備廠家獲得專業的解決方案，避免采用臨時性修復措施造成更嚴重的損失。

結論

針對運行十年以上的液壓變槳型風電機組的變槳軸承機械故障頻發，特別是變槳軸承批次性損壞情況，本文給出了變槳軸承優化方案及運行維護建議。對軸承進行優化處理后不僅降低了變槳軸承的機械故障發生率，提高了機組的可利用率，也降低了運行維護的成本和風險，對同類型機組的運行維護具有重要的指導意義。