電勵磁直驅風機發電機主軸承卡死故障分析及解決方案研究

張 濤，楊玉龍，李黎明，韓勇莉

（平高集團有限公司，河南平頂山 467000）

引言

電勵磁直驅風電機組是我國風力發電機常用的機組，機組主傳動鏈使用雙列圓錐滾子軸承，整個傳動軸系采用單主軸承、外圈旋轉結構，內圈通過過盈固定到支撐錐軸上，發電機為電勵磁的內轉子、外定子布局。從2015 年1 月，該機型在運轉過程中主軸承開始在各個風場陸續發生損壞情況，其表現的跡象是保持架發生損傷，隨著機組的運行，機組主軸承發生異常響聲，伴隨機組振動，油脂大量溢出，油脂顏色變黑，進一步惡化進而導致風輪卡死，機組無法工作。本解決方案就是在主軸承開始的原因分析基礎上提出系統性解決方案。

1 故障原因分析

1.1 主軸承卡死原因分析

1.1.1 主軸承結構問題

電勵磁主軸承原始設計選擇雙列圓錐滾子軸承，整個結構采用單主軸承支撐，平衡風輪和轉子質量，同時將機組工作時風輪產生風載傳遞到機艙。主軸承供應商采用鐵姆肯、SKF、FAG 以及NTN，其中鐵姆肯和SKF 主軸承均出現主軸承損壞和卡死現象。一般風機機組采用的事PEEK 分段式保持架，分段式保持架在主軸承工作時由于風載的作用產生承載區和非承載區，在機組工作過程中，主軸承的承載區和非承載區轉換過程中，分段式保持架之間產生撞擊，這個撞擊會導致保持架的局部損壞，保持架損壞到一定程度，失去了保持架引導滾動體的能力，從而使保持架在軸承內部出現擠壓粉碎，進而使滾動體不能正常沿滾道運動，產生滑動摩擦，嚴重出現滾道損傷和滾動體破損，從而導致主軸承出現機械卡死現象[1-2]。

1.1.2軸系結構布局不合理

電勵磁采用的主軸承是外圈旋轉，由于該機型是采用單主軸承結構，因此在機組正常發電時，載荷傳遞路線是從主軸承的外圈經過滾動體傳遞到主軸承的內圈。由于周期性風載作用，軸承就會發生滾動體與滾道沖擊，長期運行會導致軸承滾子和保持架損壞。因此該機型的主軸承軸系結構存在不合理的地方。

1.1.3 主軸承PEEK 保持架溫度影響

PEEK 材料為一種高分子工程塑料，有一定的工作溫度范圍，常規要求工作溫度不能超過120 ℃，機組設定的報警溫度是85 ℃，由于主軸承的測溫傳感器是測量主軸承內表面，由于主軸承的結構特點，滾道的溫度與內圈的表面會形成一個溫度差，這樣當測量到的溫度為85 ℃時，滾道面的溫度會達到100℃以上，長期運轉從而導致PEEK 保持架的熱疲勞破壞，而保持架一旦損壞會使主軸承運行狀態進一步惡化。電勵磁機組的導流罩與輪轂鑄件形成封閉空間，機艙內的空氣無法流動，輪轂形成一個“死區”，不利于主軸承的散熱。由于發電機主軸承處于輪轂和機艙的環境中，改善輪轂和機艙的環境溫度可以一定程度上緩解發電機主軸承溫升[3]。

1.1.4 溫度對潤滑效果影響

主軸承潤滑的作用是對軸承的滾動體和滾道接觸面、滾動體與保持架之間的接觸面提供潤滑，通過防止磨損來提高軸承的性能。現有的電勵磁發電機主軸承使用“美孚460WT”來進行潤滑，油脂泵按照控制設定的參數對主軸承進行注油脂潤滑，而潤滑油脂有一定的工作溫度（-30 ℃～150 ℃），隨著主軸承零部件表面溫度的升高，潤滑油脂的性能會減弱，潤滑油膜會變薄，不利于主軸承的潤滑油膜的形成。

1.1.5 原設計電勵磁機組軸系結構（雙列圓錐滾子軸承）

在主軸承外圈旋轉過程中，受風載傾覆力矩影響，主軸承滾子和軸承滾道會產生與初始的設計狀態不符的正游隙情況，而在主軸承的校核過程中把保持架作為非承受載荷作用的穩定單元進行仿真，從而產生主軸承的計算仿真結果能夠滿足要求，但是實際在運行過程中主軸承發生損壞失效的嚴重故障，見圖1、圖2。

圖1 二列圓錐滾子軸承破損圖

圖2 二列圓錐滾子軸承滾道

1.2 主軸承技術改造思路

1.2.1 電勵磁原結構說明

電勵磁原發電機結構，主軸承結構采用大直徑雙列圓錐單主軸承結構，軸承的內環通過過盈配合與發電機的錐筒裝配在一起，然后通過壓盤將軸承內環進行軸向定位[4]。外圈的一個端面與發電機的轉子進行連接，另一端與密封座和輪轂連接在一起，是外圈旋轉的主軸承結構，見圖3。

圖3 二列圓錐滾子軸承效果圖

1.2.2 解決主軸承問題的技術方向

根據以上分析結果以及結合風場機組具體情況，確定如下技術方向：（1） 提高主軸承軸系結構剛性，減小主軸承運轉過程中的變形；（2） 采用整體式保持架結構，由于保持架的牽制，在承載區和非承載區的轉換時，不會產生保持架的沖擊，從而徹底消除保持架損壞導致軸承失效的隱患[5]；（3） 改變潤滑通道結構，使廢油出通暢，保證軌道面潤滑效果，改善主軸承滾動體和滾道的潤滑環境。

1.2.3 技術改進的目標和邊界條件

（1） 技術改進目標：消除機組主軸承卡死問題，保證機組20 年的設計壽命，機組發電性能達到原設計要求，機組載荷滿足原設計要求；（2） 邊界條件：利用現有的機組結構，最大限度的控制成本。

2 解決方案

2.1 解決主軸承卡死技改方案設計

主軸承卡死技改需要根據總體方案、工藝要求、復雜工序、施工標準以及驗證準則來執行，需要較強的技術能力、專業能力以及豐富的現場經驗，確保工程安全和質量[6]。三排圓柱滾子軸承的結構特點：（1）三排圓柱滾子實際上是一個圓柱滾動體軸承和兩個軸向止推軸承的組合軸承，具有良好的軸向和徑向承載能力；（2） 由于圓柱軸承的局限性，因此在三排軸承的安裝后不論是軸向游隙或徑向游隙不可能是負游隙狀態，理論狀態下軸向游隙可以做到零，軸承處于過定位，因此三排圓柱滾子軸承的工作過程是正游隙狀態；（3） 三排圓柱滾子軸承的布置方式是外圈旋轉，內圈是通過螺栓直接與錐軸連接在一起，不是通過過盈安裝，因此安裝方式比較簡單[7-8]；（4） 由于三排滾子軸承自身剛度比較好，在特定載荷作用下，具有比較好變形控制能力；（5） 三排圓柱滾子軸承采用整體銅質保持架，保持架具有良好的整體結構特性，在主軸承運轉過程中對滾動體的引導作用好，其強度不會因為主軸承運轉溫度而導致結構損壞。

綜上：基于以上三排圓柱滾子軸承的結構特點，解決雙列圓錐滾子軸承卡死問題采用三排圓柱滾子軸承對電勵磁的雙列圓錐滾子軸承進行技改成為可能。

2.2 主軸承技改技術方案說明

在結構布局上，電勵磁機組軸系改造是采用三排圓柱滾子軸承替代雙列圓錐軸承，依然采用主軸承外圈旋轉的結構布局形式，保持輪轂和機艙與發電機連接接口的一致性，由于主軸承的安裝方式存在差異，因此在軸系結構（軸承及周邊結構）上進行更改，具體如下：（1） 軸系旋轉部分的聯接形式。這一點上，采用雙列圓錐軸承與三排圓柱滾子軸承的軸系一致的，均是輪轂、密封座、主軸承外圈，以及轉軸通過長螺栓串聯接在一起，隨著風輪同步轉動。（2）軸系靜止部分的聯接形式。三排圓柱滾子軸承的軸系是軸承內圈與錐軸采用法蘭聯接在一起，而雙列圓錐軸承的軸系是軸承內圈與錐軸采用過盈配合聯接在一起，并用軸承壓蓋壓緊軸承內圈。（3） 采用三排圓柱滾子軸承替代雙列圓錐軸承后，為了解決主軸承及輪轂高溫的問題，增加主軸承冷卻系統和輪轂循環風冷系統。

2.3 電勵磁主軸承軸系技改整機載荷分析

由于對主軸承軸系進行改造，三排圓柱滾子軸承的軸向尺寸比雙列圓錐滾子軸承要大，導致風輪具塔筒的懸垂距離增加了200 mm，同時由于三排滾子軸承自身重量的影響，導致技改后的發電機重增加了1.3 t，因此采用Bladed4.3軟件根據機組的實際參數進行仿真載荷計算[9]。

有限元計算結果表明該型號軸承本體以及相關的連接螺栓能夠滿足電勵磁主軸承軸系技改結構設計要求。

2.4 電勵磁主軸承軸系技改采用的三排圓柱滾子軸承校核

根據上述總體載荷計算情況，保持原機組的機艙和輪轂接口尺寸不變，擬選擇相關廠家生產的三排圓柱滾子軸承，通過對該型號的軸承進行了經歷計算和有限元仿真計算，計算結果滿足設計要求。

2.5 電勵磁機組主軸承軸系技改第三方校核情況說明

為了進一步控制設計風險，與行業權威機構鑒衡認證中心進行合作對電勵磁機組主軸承軸系技改方案進行評估，鑒衡認證中心從技術方案、傳動鏈動力學分析、零部件（錐軸、主軸承、連接螺栓）以及制造工藝和維護要求四個方面進行評估，評估結果采用三排圓柱滾子軸承對原設計結構進行技改是合理可行的[10]。

3 電勵磁機組主軸承軸系技改整體解決方案

對電勵磁機組主軸承軸系整體解決方案包括拆卸風輪，然后發電機下架，對損壞的發電機進行維修檢查，定轉子絕緣檢查，軸系改造完成后發電機進行總裝測試，將維修好的發電機運輸至風場，恢復吊裝[11-12]。

電勵磁機組發電機維修質量流程要求，見表1。

4 結論

通過以上內容和設計過程控制，采用三排圓柱滾子軸承對出現主軸承卡死的2 MW 電勵磁機組進行軸系技改，可以解決主軸承卡死問題，提高機組運行可靠性。