風力發電機偏航軸承故障檢測分析研究

喬 偉 安 康 王 朋

（國華<巴彥淖爾>風電有限公司，內蒙古 巴彥淖爾 015000）

0 引言

風力發電是一種清潔能源，近年來裝機容量快速增長。 偏航軸承是風電設備中最重要的零部件。 偏航軸承性能與工況的好壞直接影響偏航系統甚至整個設備的性能。因此，研究偏航軸承的失效機理，提出合理化建議為改善軸承質量提供一定理論依據，對生產實踐起到一定的指導意義[1-5]。

以內蒙古某風電場偏航軸承設備損壞問題、對偏航軸承的實效問題加以研究。針對失效設備做出一系列實驗研究，逐一排查偏航軸承失效原因，為同類型設備提供參考。 根據偏航軸承檢驗評估工作方案，對5 臺機組 （35103#、35110#、35111#、35311#、35306#）進行現場檢驗，表1 為五臺機組軸承信息。

表1 五臺機組偏航軸承詳細信息

1 實驗內容

1.1 理化性能試驗

1.1.1 樣品制樣

3 套偏航軸承（35205#機位（SN：090313009）、35103#機位（SN：081227006）、35110# 機位（SN：090313008）各取2 份大樣，一份郵寄國檢中心進行制樣、理化分析，另外一份在成都天馬檢測中心進行制樣、理化分析。

制樣過程中分別將偏航軸承SN：090313008 （機位35110#）外圈標記為W1、內圈標記為N1；偏航軸承 SN：081227006（機位 35103#）外圈標記為：W2、內圈標記為N2；偏航軸承SN：090313009（機位35205#）外圈標記為：W3、內圈標記為N3。

1.1.2 理化分析結果

根據各檢測項目檢驗標準，成都天馬鐵路軸承有限公司檢測中心金相分析報整理數據如下：

（1）失效軸承均存在一定的材質不良，表現在化學成分、淬硬層深度和基體硬度。

（2） 化學成分：Cr 元素在調制鋼中主要作用提高淬透性，從而提高材料硬度和耐磨性，該元素含量偏低， 會造成淬硬層深度偏低；Mn 元素可以提高淬透性，提高材料強度和硬度。

圖 1 （a）外圈試樣標記；（b）外圈取樣后標記；（c）內圈試樣標記；（d）內圈取樣后標記

（3）基體組織屬于回火索氏體，基體硬度偏低材料容易產生變形。

2 實驗檢測

2.1 制樣與檢測標準

對三臺偏航軸承（35110#、35306#、LY）的取樣進行晶相、拉伸等性能檢測試驗。 “35110-內”代表編號為35110#的軸承內圈。

每臺軸承的內外圈分別取5 個試樣， 進行光譜、低倍組織、基體金相組織、夾雜物、淬硬層厚度、基體組織硬度和淬硬層厚度檢測分析。 如圖2 所示，每臺軸承內外圈分別取直徑φ10 mm 標準拉伸試樣，進行常溫單軸拉伸試驗，檢驗依據如表1 所示。

圖2 偏航軸承宏觀照片

2.2 光譜檢測

直讀光譜儀對試樣進行光譜檢測，每個試樣選取3 個點 （編號1-3） 。圖3 為直讀光譜檢測點位置分布圖。 測試結果如表2 所示（評判標準以使用方提供的數據為準），結果顯示元素含量未見異常。

表2 項目標準

表3 理化分析總結

圖3 試樣的制取

圖4 光譜檢測

2.3 低倍組織檢測

圖4 為低倍實驗樣品，使用鹽酸水溶液對試樣進行熱酸浸，評級結果如表3 所示，結果顯示低倍組織未見異常。

圖5 低倍試驗樣品

2.4 夾雜物檢測

試樣縱截面拋光，進行夾雜物級別評定，評級結果如表4 所示，均在標準誤差允許范圍內，夾雜物評價符合標準要求。

表4 光譜檢測結果匯總表

2.5 調質組織檢測

試樣進行拋光，使用4%硝酸酒精腐蝕，通過金相顯微鏡觀察組織并評級，金相照片及評級結果如圖5所示，調質組織未見異常。

表5 低倍試驗評級匯總表

2.6 淬硬組織檢測

試樣淬硬層拋光，使用4%硝酸酒精腐蝕，通過金相顯微鏡觀察組織并評級，金相照片及評級結果如圖6 所示，調質組織未見異常。

2.7 調質硬度檢測

如圖 7 所示， 每個試樣選取 3 個位置 （編號1，2，3）進行布氏硬度檢測，檢測結果如表 4 所示，標準值為260-300 HB， 紅色表示檢測值低于標準下限值。

根據相關標準要求，使用維氏硬度計對試樣淬硬層進行硬度測量，對比標準得知淬硬層硬度及深度未見異常。

3 潤滑油脂檢驗

有機溶劑溶解少量潤滑脂樣品，取底部含顆粒沉淀物的溶液制作譜片。鐵譜分析表明樣品中有鐵磁性磨粒、疲勞磨粒（毫米級）和鐵系磨粒（＜850 μm）等。沒有發現外界污染物、油脂干渴現象。 錐入度與新脂相比變化不大，在可接受范圍。

KLUBER BEM 41-141 和FUCHS GLEITMO 585K性能比較，FUCHS GLEITMO 585K 產品水分含量較高，不符合要求（依據GB/T33540.1 產品標準），標準要求為不低于 250℃，實測結果：197℃。 KLUBER BEM 41-141產品油分離度很高，不符合要求（依據GB/T33540.1 產品標準），標準要求：2%～6%，實測結果：8.5%。 滾筒安定性差值較大（64），不符合要求[依據GB/T33540.1 產品標準（30～50）]。

表6 夾雜物評級匯總表

圖6 調質組織照片及評級

圖8 布氏硬度檢測試樣

表8 淬硬層硬度值及深度值匯總表

4 偏航軸承失效分析

偏航閘鉗本體邊緣與剎車盤上表面距離間隙、偏航減速器間隙、偏航軸承軸向跳動超標，其中 35103#機位偏航剎車閘鉗本體與剎車盤干涉接觸，導致機組無法偏航，是此次事件的起因。

（1）偏航閘鉗與剎車盤干涉原因：偏航軸承滾道發生塑性變形，機艙隨軸承內圈下沉（外圈未發生形變），閘鉗隨機艙下沉導致剎車盤間隙減小，形成干涉。

圖7 淬硬層組織照片及評級

表7 調質硬度檢測結果匯總表

（2）軸承滾道塑性變形原因：隔球器碎裂缺失，滾子不均勻分布在滾道內。載荷的作用下導致滾道塑性變形。

（3）隔球器碎裂缺失的原因：磨損的金屬顆粒導致隔球器卡死，受到其他滾子的撞擊，導致損傷碎裂。碎塊混在油脂內經進一步磨損而消失。

（4）從拆解的軸承發現：滾道損傷程度依次是外圈滾道的下表面 （最嚴重）， 內圈滾道的上表面 （次之），內圈滾道下表面和外圈滾道上表面（輕微）。

外圈滾道的下表面出現硬化層剝落（凹凸不平的鱗狀），具備疲勞剝落的形狀特征。造成疲勞失效的原因可能是由于材質疲勞、熱處理不當、偏載、沖擊。

（5）潤滑不良的原因。

a）密封圈失效；

b）潤滑油管未平均分布，增大注油孔內部阻力；

c）偏航軸承缺少專門排油孔，廢油無法排出；

d）目前加油控制策略不確定軸承內有足夠的油脂。

5 結論

（1）偏航閘鉗與剎車盤干涉的直接原因：偏航軸承滾道塑性變形，導致了機艙隨偏航軸承內圈整體下沉。

（2）軸承材質不良（Mn、Cr 含量、淬硬層深度、基體硬度），是造成本次軸承失效的主要原因。

（3） 潤滑不良是造成本次軸承失效的次要原因，潤滑不良加速了軸承失效。