主軸系后竄故障機理分析
2025-08-09
作者：梁雪
風電機組主軸系竄動一直是影響機組正常運行的疑難雜癥。主軸系軸向竄動可能會損傷到齒輪箱里其他零部件，造成齒輪箱失效，進而直接或間接的導致機組停機。受設計條件和現場湍流因素的影響，主軸系竄動問題很難得到根治，一些主機廠將該問題視作需要進行嚴格控制的故障參數。一旦出現，主軸系竄動量超過極限，將導致主軸承、齒輪箱失效，此類事故已在風電場屢屢出現。
在現場勘察調研中發現，已投入使用10年的1.5MW風電機組主軸系軸承均存在一定程度的磨損以及性能衰減，因1.5MW風電機組主軸系統采用的是雙列調心滾子軸承，同時承受軸向及徑向的載荷，失效的概率較高。這是由于雙列調心滾子軸承的游隙較大，浮動端的軸承承受載荷很小，大部分徑向載荷和軸向力由固定端軸承承受，造成滾子過多的打滑，加上潤滑不良使材料發生從點蝕到粘附剝落，座圈和滾子以及保持架受力不均發生變形、卡死等常見故障。這些都會造成主軸系后竄影響風電機組正常運行。如圖所示，通過拆解失效后吊裝下塔的固定端軸承發現，固定端軸承第1列滾道（遠離風輪側滾道為第1列，靠近風輪側滾道為第2列）受損程度明顯高于第2列滾道，該軸承長期處于第1列滾動體單邊承載狀態；在沖擊軸向載荷作用下，中隔圈與第1列滾動體受力點處嚴重剝落失效，最終導致主軸系后竄。因此，從實際工程意義和經濟價值角度出發，有必要進一步確定機組軸承滾道損傷機制以及主軸系后竄故障機理，重構卸荷路徑，從而提高軸承服役期限、抑制或良好改善軸系后竄故障。
其次，風電機組主軸系統中軸承的潤滑問題也可能引發后竄故障。滾動軸承大多用潤滑脂潤滑，潤滑脂的失效一度被認為是軸承失效的主要原因。潤滑脂由基礎油、添加劑和增稠劑微觀結構組成，充當儲油器，緩慢釋放油以補充接觸。因風電機組經常在極端環境下運行，主軸系統中的各個部件要承受較大的負載和振動。例如：調心滾子軸承中滾子發生偏移或磨損，容易導致主軸系統失去穩定性。
目前在運行的風電機組主軸軸承的潤滑方式主要有兩種：潤滑脂潤滑及壓力潤滑油潤滑，其中使用潤滑脂潤滑比例較高。風輪的轉速一般在10-20轉/分，低轉速導致主軸軸承的油膜形成往往比較難。若油膜厚度不足以隔開兩個金屬表面，則潤滑沒有達到預定的效果，軸承就會發生早期磨損，產生材料剝落的損傷，發生半干滑動摩擦，繼而導致軸承跑圈。壓力潤滑方式對改善軸承的工作條件十分有利，除了及時形成油膜保護滾道滾子之外，還能帶走熱量和磨粒。
根據以往風電機組主軸后竄故障的發生，得出主軸軸承的磨損是導致主軸后竄的主要原因之一。由于風力發電機主軸系統長時間處于低速重載的條件下進行工作，主軸軸承容易受到磨損。隨著磨損程度的加劇，主軸的運轉會變得不穩定，從而引發后竄故障。因此，定期檢查和維護主軸軸承是保障主軸系統正常運行的重要措施之一。
由于內圈內隔環與后排滾子邊緣出現大面積疲勞剝落、外圈后排滾道表面疲勞微剝落，導致滾子溢出，使風電機組主軸系出現后竄故障。如上圖所示，前排滾子后端接觸面（齒輪箱側）顏色光亮具有金屬光澤，伴隨有密集淬硬鋼顆粒壓痕，延伸至滾子該區域整個圓周表面，對比外圈前排滾道接觸軌跡可確定：前排滾子存在較大后移竄動量，該接觸區域已溢出外圈前排滾道，與軸承外圈的內隔圈直接接觸，導致其承載無效的接觸載荷以及內隔圈與軸承內圈對滾子的擠壓載荷；前排滾子中后端呈灰暗色、淡黃色相間環形條紋，延伸至滾動體該區域整個圓周，且伴隨少量淬硬鋼顆粒壓痕，以及少量犁溝擦痕損傷，該區域滾子局部呈現淡黃色光亮條紋，滾子存在自轉打滑，通常伴隨著摩擦熱，形成局部高溫，滾子作用面回火再硬化，呈現淡黃色條紋，然而該區域未發現因摩擦熱引起局部應力集中導致產生裂紋或剝落；前排滾子前端呈現淡黃色光亮區域，滾子存在自轉打滑，通常伴隨著摩擦熱，形成局部高溫，滾子作用面回火再硬化，呈現淡黃色條紋，然而該區域未發現因摩擦熱引起局部應力集中導致產生裂紋或剝落。
因此，針對尚在服役期內的1.5MW風電機組，理清其主軸系統后竄故障機理，從而探究緩解風電機組主軸系后移的解決辦法是至關重要的。
來源：中科經創智慧能源
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