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1、风电偏航轴承典型失效分析 摘 要偏航轴承是风电设备中主要的零部件，其性能与工况的好坏直接影响到与之相连的转动轴以及安装在转轴上的偏航系统装置乃至整个风电设备的性能。据统计，在风电设备中，大约有的故障都是由于偏航轴承引起的。因此，研究偏航轴承的失效机理，提出相应的预防和维护措施，对于提高偏航轴承的可靠性，提高风电设备的使用寿命，提高经济效益，保证风电设备的长期安全稳定运行，均有现实的意义。轴承寿命是与制造、装配、使用密切相关的，偏航轴承早期的失效多与偏航系统配合部位的制造精度、安装质量、使用条件、外部异物侵入、电腐蚀及偏航系统突发故障等多方面因素有关，必须各个环节都要做好，才能使偏航轴承处于最佳
2、的运转状态，从而延长轴承的寿命。本文在广泛查阅国内外相关技术资料基础上，给合国内外的实践经验和研究成果，论述了诸如材料、结构设计、使用工况、密封润滑等各种因素对偏航轴承损坏的影响。采取各种检查手段，进行失效分析，找出引起失效的原因，改善这些因素，避免或减少类似事件的再次发生，延长轴承的使用寿命。 关 键 词：偏航轴承，失效，材料，结构设计，寿命THE TYPICAL FAILURES ANALYSIS ON THE YAW BEARINGABSTRACTYaw bearings are the major components in wind power equipment. The perf
3、ormance and working conditions of the yaw bearings are closely related to the performance of the yaw system on the shaft and even the whole wind power equipment. According to statistics, up to 20 percent of failure of wind power equipment is caused by the yaw bearings. Consequently, it is of vital i
4、mportance to study failure mechanism of the yaw bearings and work out effective preventive measures in order to improve the reliability of the yaw bearings and prolong the life of the wind power equipment, which help to improve the economic benefit as a result. And it is also very practical to make
5、sure the safe and steady operation of the wind power equipment in real working conditions. Bearing life are closely related to manufacturing, assembling and using, The early failure of the yaw bearings are mostly related to the manufacturing accuracy of the yaw system , installation quality, service
6、 condition, external inpurity intrude, electric corrosion and sudden accidents of the yaw system. Each link factors should be well. To make the yaw bearings in the best operation state, thereby prolong the life of the yaw bearing.This paper based on widely consult the relevant technical datas of the
7、 domestic and foreign. combined domestic and international experience and research findings, discussed such as materials, structural design, working condition, seal lubricant and other factors impact on the yaw bearing damage. Take all kinds of inspection method for failure analysising, finding out
8、the reason caused by failure, improving these factors, avoiding or reducing the similar events happening again and prolonging the service life of the yaw bearings.KEY WORDS：the yaw bearing, failure, materials, structural design, working life目 录前 言1第一章绪论31.1 本课题的提出31.2 国内外研究现状31.3 本课题研究的依据与意义41.4 本论文
9、的研究内容及方法5第二章偏航轴承的典型失效形式62.1 偏航轴承技术概述62.2 偏航轴承的使用工况82.3 偏航轴承的失效形式92.3.1 接触疲劳剥落92.3.2 磨损102.3.3 腐蚀112.3.4 胶合122.3.5 塑性变形132.3.6 其它失效形式132.4 研究偏航轴承失效的步骤14第三章 影响偏航轴承失效的各种因素以及改进措施173.1 材料因素对偏航轴承寿命的影响173.2 偏航轴承制造工艺的分析193.3 润滑和密封对偏航轴承失效的影响213.4 提高偏航轴承工作寿命的有效措施22结 论25参考文献26致谢28前 言近几年来，随着社会进步和科学技术的高速发展，风力发电作
10、为一项可再生的绿色环保新型洁净能源，受到各国的高度重视，得到了长足的发展。随着风机发电能力的不断提高，风机设计也越来越向大型化发展。因此，对风电偏航轴承提出了更高的要求1,2。大型风电偏航轴承不仅要求高的刚性和可靠性，还要轻便，便于安装。抗疲劳制造是风电轴承长寿命和高可靠性的保证，由于风机组在野外以上的高空中运行，风电偏航轴承工况恶劣，温度、湿度变化大，要承受大的冲击载荷和倾覆力矩，还要经受风沙的侵袭。由于风场一般都在偏远地区，偏航轴承的运输和吊装都十分困难，一旦发生早期故障，维修费用十分昂贵3。因此，在轴承的生产过程中必须提高轴承质量，避免轴承的早期失效。在这里对偏航轴承的早期失效进行分析，
11、找出失效的原因，提出相应的整改措施。疲劳破坏是偏航轴承典型的失效形式，对于要求20年使用寿命和高可靠性的偏航轴承来说，必须应用抗疲劳制造技术进行生产，使其具备很高的疲劳寿命。轴承失效是近40年来发展起来的一门技术科学。所谓轴承失效，是指轴承达不到预期的支撑运动部件运动的功能。失效分析即时通过合乎逻辑的思路、科学的方法，使用必要的试验技术手段，包括近代发展起来的各种微观表面分析仪器，找出失效机理，并提出防止失效的措施4。由此可见，偏航轴承的失效分析是提高偏航轴承可靠性系统工程中的重要环节，是一门跨学科的技术领域，它既有综合性，又有实用性。所谓综合性表现在它的涉及面很广，包括产品的结构设计、机械制
12、造工艺、材料的选用与冶金技术，以及摩擦学、腐蚀学、工程力学、断裂力学、金属物理和表面物理等广泛的学科领域和技术门类。失效分析技术必须依赖于这些相关学科的发展而向前发展，而这些学科的发展又都与失效分析工作密切相关。所谓的实用性表现在轴承的失效分析工作必须从生产实际出发并紧密的为生产服务。它的积极意义在于5：（1）可以分析出偏航轴承失效的主要原因，并提出改进措施，不断提高轴承产品的质量。（2）可以判断设计是否合理，纠正某些不尽合理的方面以提高偏航轴承产品的可靠性。（3）可以发现偏航轴承零件在冷、热加工中存在的问题。纠正不合理的加工工艺。（4）可以判断材料选择的合理性及原材料质量存在的问题，所以说偏
13、航轴承的失效分析工作是与偏航轴承的产品质量及其生产发展密切相关的重要工作。 第一章 绪论1.1 本课题的提出风力发电机用轴承主要包括：偏航轴承总成（660PME047）、变桨轴承、变速器轴承、发电机轴承等。偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部，每台风力发电机设备都要有一套偏航轴承。偏航轴承是风机追踪风向，调整迎风面的保证，转动范围，在范围上转动频率最高。一般情况下，风电设备要求年的工作寿命，由于偏航轴承的吊装和更换极为不便而且成本很高（一次安装拆卸费用即高达几十万到上百万），因此，年的使用寿命和高的可靠性，就成为对偏航轴承的基本要求，若在质保期内轴承损坏，将进行索赔，带来的经济损失巨大6,7。对偏
14、航轴承的早期失效进行分析，提出有效措施，改善轴承的各项性能，从而延长轴承的寿命。1.2 国内外研究现状风能是大自然中取之不尽，用之不竭且无污染的可再生能源。在全世界电力需求量急剧增长的条件下，考虑到有机燃料的非再生性与有限开采性以及生态环境等原因，大力利用风能具有特别的现实意义。近十年来，风力发电作为一项可再生的绿色环保新型洁净能源，受到了各国的高度重视，得到了长足的发展。从世界范围看，欧洲和北美在开发利用风能发电方面处于世界领先地位，尤其是欧洲的丹麦、德国和英国以及北美的美国。目前风力发电已在可再生能源的开发中独树一帜，成为对常规能源最具竞争力的新能源发电方式。因此，国内外都很重视利用风力来
15、发电，开发新能源，我国风能资源储量居世界前列，仅次于俄罗斯和美国。但轴承是我国风电设备制造的软肋10。在偏航轴承开发研制中，存在的主要技术难点是实现长寿命所需的密封结构和润滑脂、特殊的滚道加工方法和热处理技术、特殊保持架设计和加工制造方法等。国内目前的技术水平与国外先进水平相比存在较大差距，但近几年来我国的一些研究单位在这些方面已经取得了一些突破性的研究成果，这必须将加速风机轴承国产化的进程11。国际著名的风电轴承公司主要有瑞典SKF、德国Schaeffler(舍费勒)、美国TMKEN和日本 NSK等，在全球市场上占据统治地位。其中，SKF专为大型风力发电机设计和开发的超大型混合陶瓷深沟球轴承可隔绝电流。这些轴承设计独特，轴承套圈由钢制轴承产品制成，钢球由氮化硅（Si3N4）制成，硬度高而且密度低。除了优异的电绝缘能力外，SKF超大型混合陶瓷深沟球轴承设计充分发挥了润滑剂的作用，即便在润滑不良的情况下也能确保长期性能12,13,14。我国轴承行业对风电轴承的设计、制造和试验技术还远远没有吃透，大多轴承厂家在1.5兆瓦风机以上的技术多处于实验阶段，难以形成规模。虽
