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1、风力发电机轴承新标准介绍风力发电机用轴承大致可以分为三类，即：偏航轴承、变桨轴承、传动系统轴承(主轴和变速箱轴承)。偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部，变桨轴承安装在每个叶片的根部与轮毂连接部位。每台风力发电机设备用一套偏航轴承和三套变桨轴承(部分兆瓦级以下的风力发电机为不可调桨叶，可不用变桨轴承)。1 代号方法风力发电机偏航、变桨轴承代号方法采用了 JBT 104712004 中转盘轴承的代号方法，但是在风力发电机偏航、变桨轴承中出现了双排四点接触球式转盘轴承，而此结构轴承的代号在 JBT 104712004 中没有规定，因此，在本标准中增加了双排四点接触球转盘轴承的代号。由于单排四点接触球转
2、盘轴承的结构型式代号用 01 表示，而结构型式代号 02 表示的是双排异径球转盘轴承结构，因此规定 03 表示双排四点接触球转盘轴承结构。2 技术要求21 材料本标准规定偏航、变桨轴承套圈的材料选用 42CrMo，热处理采用整体调质处理，调质后硬度为 229HB269HB，滚道部分采用表面淬火，淬火硬度为55HRC-62HRC。由于风力发电机偏航、变桨轴承的受力情况复杂，而且轴承承受的冲击和振动比较大，因此，要求轴承既能承受冲击，又能承受较大载荷。风力发电机主机寿命要求 20 年，轴承安装的成本较大，因此要求偏航、变桨轴承寿命也要达到 20 年。这样轴承套圈基体硬度为 229HB-269HB，
3、能够承受冲击而不发生塑性变形，同时滚道部分表面淬火硬度达到 55HRC-62HRC，可增加接触疲劳寿命，从而保证轴承长寿命的使用要求。22 低温冲击功本标准对偏航、变桨转盘轴承套圈低温冲击功要求：20Akv 不小于27J，冷态下的 Akv 值可与用户协商确定。风力发电机可能工作在极寒冷的地区，环境温度低至40 吧左右，轴承的工作温度在20C 左右，轴承在低温条件下必须能够承受大的冲击载荷，因此，要求轴承套圈的材料在调质处理后必须做低温冲击功试验，取轴承套圈上的一部分做成样件或者是与套圈同等性能和相同热处理条件下的样件，在20C 环境下做冲击功试验。23 轴承齿圈由于风力发电机轴承的传动精度不高
4、，而且齿圈直径比较大，齿轮模数比较大，因此，一般要求齿轮的精度等级按 GBT100952-2001 中的 9 级或者10 级。但是由于工作状态下小齿轮和轴承齿圈之间有冲击，因此，轴承齿圈的齿面要淬火，小齿轮齿面硬度一般在 60HRC，考虑到等寿命设计，大齿轮的齿面淬火硬度规定为不低于 45HRC。24 游隙偏航、变桨轴承在游隙方面有特殊的要求。相对于偏航轴承，变桨轴承的冲击载荷比较大，风吹到叶片上震动也大，所以要求变桨轴承的游隙应为零游隙或者稍微的负游隙值，这样在震动的情况下可减小轴承的微动磨损。偏航轴承要求为小游隙值，即 0-501m。另外，由于风力发电机偏航和变桨轴承的转动都由驱动电机驱动
5、，轴承在负游隙或小游隙状态下应保证驱动电机能驱动，因此，轴承在装配后需要空载测量启动摩擦力矩，具体力矩数值根据主机驱动系统的不同也不尽相同。25 防腐处理风力发电机设备在野外工作，而且偏航、变桨轴承的一部分是裸露在外面的，会受到大气污染，高湿度的环境也会腐蚀轴承基体， 因此，裸露在外面的偏航和变桨轴承的部位要求进行表面防腐处理，一般采用镀锌处理。 根据需要，在镀锌层外部进行刷漆保护处理。（来源： 51 轴承网）风力发电机组齿轮箱故障诊断风力发电机组齿轮箱故障诊断S 摘要: 通过对不同齿轮箱振动频谱的检测结果的分析，论述了判断齿轮箱由于长期处于某些恶劣条件下，如交变载荷或润滑油失效，引起的齿轮和
6、轴承损坏的检测方法。分析了齿轮箱出现故障的原因以及应采取的措施。 一、风电机组齿轮箱的结构及运行特征 我国风电场中安装的风电机组多数为进口机组。近几年来，一批齿轮箱发生故障 ，有些由厂家更换，也有的由国内齿轮箱专业厂进行了修理。有的风场齿轮箱损坏率高达 4050%，极个别品牌机组齿轮箱更换率几乎接近 100%。虽然齿轮箱发生损坏不仅仅在我国出现，全世界很多地方同样出现过问题，但在我国目前风电机组运行出现的故障中已占了很大比重，应认真分析研究。 1) 过去小容量风电机组齿轮箱多采用平行轴斜齿轮增速结构，后来为避免齿轮箱造价过高、重量体积过大，500kW 以上的风电机组齿轮箱多为平行轴与行星轮的混
7、合结构。由于风电机组容量不断增大，轮毂高度增加，齿轮箱受力变得复杂化，这样就造成有些齿轮箱可能在设计上就存在缺陷。 2) 由于我国有些地区地形地貌、气候特征与欧洲相比有特殊性，可能对标准设计的齿轮箱正常运行有一定影响。我国风电场多数处于山区或丘陵地带，尤其是东南沿海及岛屿，地形复杂造成气流受地形影响发生崎变，由此产生在风轮上除水平来流外还有径向气流分量。我国相当一部分地区气流的阵风因子影响较大，对于风电机组机械传动力系来说，经常出现超过其设计极限条件的情况。作为传递动力的装置-齿轮箱，由于气流的不稳定性，导致齿轮箱长期处于复杂的交变载荷下工作。由于设备安装在几十米高空，不可能容易地送到工厂检修
8、，因此经常进行状态监视可以及时发现问题，及时处理，还可以分析从出现故障征兆到彻底失效的时间，以便及时安排检修。 3) 在我国北方地区，冬季气温很低，一些风场极端(短时)最低气温达到-40以下，而风力发电机组的设计最低运行气温在-20以上，个别低温型风力发电机组最低可达到-30。如果长时间在低温下运行，将损坏风力发电机组中的部件，如齿轮箱。因此必须对齿轮箱加温。齿轮箱加温是因为当风速较长时间较低或停风时，齿轮油会因气温太低而变得很稠，尤其是采取飞溅润滑部位，无法得到充分的润滑，导致齿轮或轴承短时缺乏润滑而损坏。如果机舱温度也很低，那么管路中润滑油也会发生流动不畅的问题，这样当齿轮箱油不能通过管路
9、到达散热器，齿轮油温会不断上升直至停机。 归纳起来，我们可以分析在我国风电场经常发生齿轮箱故障可能主要有以下原因： 1、齿轮箱润滑不良造成齿面、轴承过早磨损 -大气温度过低，润滑剂凝固，造成润滑剂无法到达需润滑部位而造成磨损 -润滑剂散热不好，经常过热，造成润滑剂提前失效而损坏机械啮合表面 -滤芯堵塞、油位传感器污染，润滑剂“中毒”而失效 2、设计上存在缺陷 齿轮的承载能力计算一般按照 ISO6336(德国标准 DIN3990)进行。当无法从实际运行得到经验数据时，厂家可能选用的应用系数 KA 为 1.3，但实际上由于风载荷的不稳定性，使得设计与实际具有偏差，造成齿轮表面咬伤甚至表面载荷过大而
10、疲劳破坏。说明当选择应用系数 KA 为 1.3 时，齿轮传动链中载荷远超出按假设设计值。如果轴承选择不合适，由于轴向载荷相当大，而造成轴承损坏。 3、失速调节型风电机组安装角如果设置过大时，冬季就会出现过功率现象，过高载荷影响齿轮箱的寿命。 二、风电机组齿轮箱故障诊断 通过对风电机组旋转部件的运行特征进行状态监测，比如实时监测齿轮箱、主轴、发电机等部件的振动频谱、齿轮油污染情况或定期对上述部件的状态进行监测、记录，及时发现隐患，找出导致问题出现的原因，相应采取措施加以解决。从风力发电机组齿轮箱目前发生的故障来看，齿轮、轴承部件的损坏主要有几种情况的磨损：粘附磨损、腐蚀磨损、表面疲劳磨损、微动磨
11、损和气蚀。这些磨损出现之后，轻则金属微粒会污染润滑剂，影响功率传递，产生噪音，造成齿面严重磨损或断裂，轴承内外圈或滚珠损坏，严重的使机组无法转动而彻底停机。当机械部件发生初期磨损时，其振动频谱上会产生响应特征频率，通过测试仪器可以进行设备的状态监测。 1.应用状态监测系统对风电机组齿轮箱故障进行诊断 我们采用状态监测仪，对齿轮箱进行了对比，通过齿轮箱内轴承和齿轮间啮合的频率和振动分析，准确地找出了 2 号机齿轮箱的故障点，为齿轮箱修复发现问题及解决问题提供了判定依据，减少了修理周期，相应提高了设备可用率。 机组情况描述:机型 NTK300/31(NEG/MICON 早期产品) 额定功率：300
12、kW 齿轮箱类型: JA/KE CS520 安装风场： 张北风电场 已运行时间： 30,505h 已发电量： 2,923,913kWh 齿轮箱损坏情况：首先，轴承 NJ234 (IM1)内圈挡环粉碎，IMl 轴轴向串动16mm，进而引起，轴承 22318 (HS)和 NJ320 (IM2)损坏。 监测方式：分别对张北风场两台 JA/KE CS520 (NTK300/31)齿轮箱进行状态监测 监测对象：1 号齿轮箱为在齿轮箱厂才修过且运行不满 1 年；2 号为有问题齿轮箱 监测状态：风电机组投运，并网发电 监测时间：2h 取样/分析程序： 1) 所有轴承端盖的水平和垂直方向各取 1 个点 2)
13、风电机组并网，依次在各取样点提取振幅和频率数据 3) 在计算机中进行频谱分析，得知轴承、齿轮啮合状况。若发现问题，根据频谱特征，结合齿轮箱的运行参数，推断引起问题的因素。 4) 建立状态分析档案，跟踪质量检查。 监测结果： 1 号齿轮箱：齿轮间啮合及轴承运行工况良好。 2 号齿轮箱： 1) 输入轴：出现齿轮箱的啮合频率及其高倍的谐波分量，说明轴承状态良好，齿轮运行存在缺陷。 2) IM1 轴： 输入端：出现了缺陷频率和谐波分量，说明轴承状态及齿轮运行不良。 输出端： 出现大量的缺陷频率和谐波分量并加杂大量边频，说明轴承己明显损坏，齿轮的啮合不良。 图 1 振动加速度包络线频谱分析：轴承外环明显
14、损坏3) IM2 轴：出现不少轴承缺陷特征，说明轴承有问题，如图 1。 4) 高速轴：输出端的振动频谱说明无明显的轴承损坏特征。 以上监测结果与实际检查完全吻合。通过对齿轮箱的状态监测，我们准确的找到了故障的位置和故障点，缩短了齿轮箱修理而造成的风电机组停机时间。 2.利用状态监测系统对风电机组齿轮箱故障进行测试 采用状态监测系统对风电机组齿轮箱高速端的速度、加速度、温度进行检测，发现数据异常，经开箱后发现齿轮油已严重污染，齿轮齿面已有磨损。 探测器自动把这些读数与预设参数作比较，当发现超出正常值限时立即向操作人员发出警报。从探测器上发出的读数可立即显示和存储在数据管理器上，数据管理器主要作用
15、是输入、存储和对机器状态进行检查。可简化数据的收集、存储和分析，绘制出历史趋势曲线。 风力发电机组由风轮、齿轮箱及发电机等组成。为了捕获风资源的需要，整个旋转轴系安装在几十米高的塔架上，这就给机组各部位的测量带来不便。而系统的数据采集部分状态探测器和数据管理器便于随身携带，因而十分适合对风电机组的重点部位进行状态测量。 1) 系统优势 状态探测器既可单独使用，又可与数据管理器联合使用。当单独使用时，根据报警信号可对机组测量点的实时状态马上作出判断，十分方便。当需要了解机组运行当中的某个过程时，将采集到的数据传到 MDM 中进行保存，然后再进行详细分析。 由于系统的测量数据既包括振动速度，又包括
16、包络加速度，因此我们不但可以发现低频到中频的故障如不平衡、不对中、转子弯曲、松动等，又可检测到轴承及齿轮的缺陷，这一点对风电机组尤为重要。此外，对温度的测量，可以帮助分析轴承温度，对故障的判断起到一定的帮助作用。 2) 系统的不足 系统作为一种较为简易的状态监测产品，其分析和诊断功能较为薄弱。通过对测量数据进行趋势分析，我们仅能看到其在一段时间内的总体水平；如果发现了某些测量点的数值超出报警限值，也仅能做出一个早期故障的判断，而对于故障的具体来源及原因便无从得知，这时就需要借助更为先进的工具，来做进一步的分析，如 FFT 频谱分析、频谱趋势分析、时间波形分析等，以便对故障做出准确判断。 3) 由于现阶段对风力发电机组的状态监测所作的工作还非常有限，因此我们在设定测量值的报警限值时还有一定的困难。设定准确的报警水平既需要有机组振动监测的经验，又需要有被监测机组正常振动水平的经验，只有当我们了解了正常的振动水平，才会发现机组的异常振动。这就需要我们对机组的每个测量点作长时间的监测，
