大型風力發電機主軸軸承故障分析及預防方法

張 琦，張 強,劉志偉,張 瀛,馬 寧

(魯能新能源(集團)有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

某場站的66臺1.5 MW雙饋風力發電機組于2011年建成并網發電，截至2018年年底風力發電機主軸軸承出現不同程度損壞，2019—2020年風電場針對主軸軸承進行專項檢查維護、補油，但作用并不理想，機組運行一段時間后，主軸軸承保持架斷裂，并有蔓延擴大的趨勢。為解決這一問題，切實做好主軸軸承的維護保養，避免由主軸軸承破壞性損傷造成的更大經濟損失，筆者根據油樣分析、潤滑方法等，綜合判斷了主軸軸承出現故障的原因，據此改善了主軸軸承的潤滑條件，創新性開展主軸軸承清洗、補油工作，達到了改善主軸軸承運行條件、延長主軸軸承壽命的目的。

1 故障原因分析

1.1 潤滑油脂分析

目前雙饋風力發電機主軸軸承采用的是SKF240/630BC球面滾子軸承，使用美孚460WT油脂，該類油脂屬于半固體類產品，常溫下可依附于垂直表面而不流失，適用于風力發電機主軸軸承潤滑[1]。筆者根據風力發電機主軸軸承密閉的運行條件，結合油脂檢測評定標準，對損壞軸承的潤滑脂進行水分測定和機械雜質測定。

1.1.1水分測定

依照GB/T 512—1965標準，對美孚100進行油樣水分化驗，為保證結果正確性共取樣4次，取樣位置如圖1所示。每次稱取0.1 g損壞軸承內部潤滑脂樣品，采用蒸餾法進行水分測定[2]，結果見表1。

圖1 采樣點分布圖

表1 潤滑脂水分含量 單位：mL

通過表1可知，4個采樣點處的油脂水分均值含量超過了標準值1倍，即油脂內的水分超標。如果外界的水分或者腐蝕性介質侵入軸承的工作空間，會導致軸承工作面發生腐蝕，造成早期剝落腐蝕，進而引起保持架的磨損斷裂。

1.1.2機械雜質測定

依照GB/T 513—1977標準對美孚100進行油樣機械雜質分析，與水分檢測一致，同樣對4個采樣點的潤滑脂進行檢測分析，每次稱取0.1 g標準損壞軸承內部潤滑脂樣品，采用酸分解法進行機械雜質測定[3]。

通過表2可知，4個采樣點處的油脂機械雜質含量均值超過標準值1.8倍，油脂內的機械雜質超標。軸承在運行過程中出現疲勞剝落，容易造成更大的沖擊和振動[4]，這也是軸承失效最主要的原因。

表2 潤滑脂機械雜質質量分數 %

1.2 維護保養方式分析

風力發電機主軸軸承采用的是密封運行的方式，故其日常的維護保養措施采用的是加注油脂的方式：利用機組半年檢修的時機，每半年進行一次油脂補油，即利用黃油槍在機組停機狀態下單次注油2.1 kg左右。

該維護方法易于實現，但也存在弊端。停機狀態下的加注油脂方式無法實現油脂對軸承內部所有的滾珠和保持架的潤滑，只能實現單一位置的潤滑，并且在實際運行中發現注油口油脂板結的情況。檢修維護人員在加注油脂過程中無法靠肉眼判斷油脂是否板結，以為油脂加注完成，實際情況卻是油脂并未進入軸承內部實現潤滑，導致軸承出現油脂發黑、缺油等現象[5]，進而因摩擦力和振動較大造成軸承發生疲勞剝落、保持架斷裂等情況。

綜上所述，某場站1.5 MW雙饋風力發電機主軸承損壞的原因為軸承維護、保養措施不到位，內部出現了腐蝕和鐵屑，再加上油脂加注方式單一，隨著運行年限的增加，早期的腐蝕會使得軸承出現疲勞剝落，鐵屑的增加在重負荷下造成軸承的較大振動，進而引發軸承在壽命期內出現了不可修復的損傷。

2 維護保養措施

通過上述的軸承故障分析可知，做好油脂潤滑和疲勞剝落的清理是軸承日常維護保養的關鍵，同時借助振動檢測儀器可提前發現隱患。

2.1 軸承潤滑保養

按照SKF240/630BC軸承保養手冊，應當每半年加注2.1 kg油脂。與之前的單一注油方式不同，筆者采取更加合理的方式確保油脂能夠進入軸承內部。

靠近齒輪箱側的軸承有軸承蓋板。為了保證油脂能夠均勻地進行軸承潤滑，針對原保養手冊潤滑方式不充分問題，每次注油時可以打開軸承蓋板進行油脂加注，且不會破壞軸承結構。軸承共有18個滾珠間隙，在軸承蓋板打開后利用黃油槍將2.1 kg的美孚460WT油脂均勻地加注到18個間隙之中，確保每個滾珠與滑道表面都能形成保護油膜，起到油脂的潤滑作用。

油脂加注完畢后，在風力發電機機組內部試啟動，確保油脂能夠均勻分布，最大限度保證潤滑無死角。

2.2 軸承的清洗

隨軸承運行年限增加，按照軸承維護保養手冊的要求，軸承運行9～10年后軸承油脂要全部更換，油脂更換量在9.5 kg左右。傳統的油脂更換方式為將軸承蓋板打開，利用手工掏油的方式清理油脂，完成后再將新的油脂填補進入軸承間隙。但是該種方式存在以下弊端:1)無法保證失效的油脂完全清理干凈；2)隨運行年限增加，油脂內的鐵屑無法完全清理干凈；3)滾珠與保持架上附著油脂，無法清晰觀察表面情況，了解軸承在運行年限增加后的實際情況。針對上述弊端，可創新性采取風力發電機不拆卸的軸承清洗方式。

軸承清洗在傳統的工業領域中比較常見，但軸承清洗方法在風電行業中尚未形成體系。本文參照傳統軸承清洗方法對風力發電機內的軸承采取不拆卸的方法進行清洗[6]，清洗步驟如下：

1)油脂清理。

由于清洗油脂使用的清洗劑有一定的腐蝕性，在清洗前檢修人員應當做好個人防護，并用擋布護住機艙其他部位，做好廢舊清洗劑的引流準備工作。同時利用鏟刀、抹布清理干凈裸露的廢舊油脂。廢舊油脂清理前、后的滾珠狀態如圖2，3所示。

圖2 廢舊油脂清理前滾珠狀態

圖3 廢舊油脂清理后滾珠狀態

2)油脂初步清洗。

本文所提方案利用小型抽油機對油脂內部進行初步的清洗，安裝好沖洗套裝后應當在吸油口安裝80目的濾網。

鎖定機組，將沖洗管路深入軸承內部(前后兩排滾子)，打開電源，依次沖洗軸承18個間隙，單個間隙沖洗時間不少于20 min，之后解除機組鎖定，讓機組旋轉90°，繼續清洗工作，直至目測沖洗干凈為止，如圖4所示。

圖4 初步清洗后保持架狀態

3)油脂二次清洗。

更換新的清洗劑和方箱，并將濾網更換為20目，同時更換為高壓清洗套裝對軸承進行二次清洗，按照初步清洗的方式，直至全部清洗干凈為止，如圖5所示。

圖5 二次清洗后滾珠狀態

4)內窺鏡檢查及回填。

完成二次清洗后利用空壓機在軸承內部吹入壓縮空氣，直至內部清洗劑基本清理干凈、軸承內部變干燥為止[7]。同時利用內窺鏡觀察軸承內部有無滾珠剝落及滑道表面情況，如圖6所示。檢查時應做好記錄，以便掌握軸承運行情況[8]。油脂回填時應當采用均勻注油的方式，在18個間隙中均勻注油9.5 kg，完成后立即將軸承蓋板擰緊，避免油脂被污染。

圖6 內窺鏡檢查滾道表面情況

2.3 振動檢測

機組內部缺少大部件在線振動檢測功能屬于早期機組的設計缺陷。針對這一背景，可采用便攜式振動測試儀對主軸軸承運行情況進行檢測，如使用福祿克805FC對軸承運行情況進行檢測[9]。該測試儀的反饋信息如圖7所示。

圖7 振動檢測儀反饋信息

基于當前風電機組運維方案，場站內機組每月需進行一次覆蓋性巡視。檢修人員可利用巡視機會，借助振動測試儀對主軸軸承進行檢測，通過觀察反饋信息以增強發現軸承隱患的能力。

3 維護保養效果

利用本文中提出的軸承維護方法，對該機組進行維護保養。借助振動分析儀和軸承溫度檢測設備對主軸軸承維護保養前后的運行情況進行檢測，結果見表3。

表3 維護保養前后主軸軸承運行情況對比

由表可知，采用本文提出的維護保養措施后，軸承運行情況明顯好轉，在不同的運行狀況下，軸承運行溫度平均降低3.5 ℃，振動值降低0.04 pk，有效提高了軸承的運行壽命。

4 結束語

主軸軸承屬于機組的重大部件，由于其運行情況的好壞關乎整臺機組的運行，而且其更換成本高，因此采用合理的維護保養措施能直接提升整個場站的經濟效益。由此可知，在日常工作中應當嚴格按照維護保養手冊做好以下幾個方面工作：1)嚴格遵循油脂的加注量要求，確保油脂能夠均勻分布，防止板結和缺油；2)在軸承運行年限增加、油脂出現明顯的變色并伴有惡臭味道后，應當進行軸承的完全清洗，并及時均勻補充新的油脂；3)巡視時可采用振動分析儀對軸承的運行情況進行輔助性檢測，并根據反饋信息開展對應的隱患排查。

在軸承的維護中，只要嚴格按照上述措施進行保養，就能較大幅度減少不可修復性損傷，延長軸承壽命，實現經濟與安全雙收益。