一起风力发电机组变桨轴承失效故障分析

王强陈江巍

（中国水电顾问集团风电关岭有限公司贵州关岭561300）

摘要：风力发电技术日趋成熟，已经成为了重要的新能源发电方式。但是简单粗暴地增加叶片长度造成的可靠性问题甚至连行业主流设备商也未能避免，出现了批量变桨轴承失效问题。文章立足本场风力发电机组出发，对变桨轴承失效故障进行简要分析。

关键词：风力发电机组；变桨轴承；失效

1、失效故障概述

风力发电机组售后人员在对机组日常巡检中，发现#B3机组＃1桨叶轴承（编号：140517020）外圈密封圈被金属物顶起。随后要求轴承厂家赶赴现场进行检查，确认为轴承保持架断裂。

经过轴承厂家的现场检查，确认#B3机组＃1桨叶轴承保持架已失效，给机组的安全运行带来隐患，决定对该机组的变桨轴承进行更换。

2、分析过程

2.1滚道表面

滚道内、外圈叶片侧和轮毂侧滚道压痕不一致，存在受载不均现象，内圈滚道边缘出现接触痕迹。

2.2保持架外观

叶片侧保持架断裂，轮毂侧保持架完好。

2.3齿轮接触异常

3个变桨轴承齿轮接触异常，均为齿面上部和下部接触且存在变形拉伤。认为是刚性不足造成套圈变形，也可能是齿轮侧隙变大造成；当螺栓预紧力不足会造成轴承刚性变小，变形增大，齿轮啮合发生异常。

2.4装球孔梁间受力变形

对轴承140517020保持架的每一个装球孔进行检查，并对每一个装球孔受力变形方向进行了标识，保持架装球孔114、82端面断裂，若干装球孔梁发生挤压变形断裂，通过装球孔梁间变形示意图，我们可以看到保持架被分为了4个变形区域，且呈对称分布。通过载荷分析，我们推测认为轴承140517020保持架首先是装球孔114附近多处孔受到极大载荷挤压装球梁，造成断裂随着该处梁的断裂，多个钢球进行累积挤压保持架装孔114端面断裂，凸出轴承把密封圈挤。保持架的断裂凸出端面造成装球孔82拉断。

推断保持架的断裂模式为先挤压变形→装球孔梁断裂→装球孔端面断裂→可能的拉断。

通过对保持架材料进行了检测以及断口部位金相和电镜观察，结果和推断是吻合的。发生这样的问题，起因为轴承出现了单滚道受载。

2.5轴承厂家分析结论

2.5.1从轴承成品检测及过程记录检查来看，未见异常。认为保持架断裂和轴承制造过程没有关系。

2.5.2从返厂变桨轴承拆解的外观检查来看：变桨轴承滚道受力异常，表现为单滚道受力，其中叶片端滚道受载较大，轮毂端滚道只有局部区域轻微受载。

在ANSYS软件中进行了建模分析，在所有部件装配技术正确的条件下，在正常工况下，变桨轴承滚道接触正常，没有出现变桨轴承单滚道受力的情况发生；但是在极限载荷工况下，轴承两滚道存在椭圆截断现象；当将螺栓联接的预紧力降低时，轴承两滚道的受载比例发生变化，内圈叶片端滚道受载增加，内圈轮毂端受载减少；预紧力减少的越多，这种趋势越明显。

拆解了同机组的3个变桨轴承，都存在单滚道受载的异常现象。为了进一步验证，再次拆解了正常运行的一台机组的3个变桨轴承，检查发现滚道受载同样存在单滚道受载的异常现象。

2.6工厂拆解分析结论

通过检查与分析，认为保持架断裂的可能原因为：

2.6.1变桨轴承联接螺栓预紧力不足；

2.6.2变桨系统（轮毂、变桨轴承、叶片以及螺栓联接单元）刚性不足；

2.7针对于分析结论，提出相应建议措施：

2.7.1建议叶根部位增加一定厚度的整圈叶根法兰，提高套圈刚度。

2.7.2建议及时检查风场螺栓联接，核查本批螺栓联接副摩擦系数，确保施加的预紧扭矩和预紧力相对应。

2.7.3建议增加变桨加强盘，提高风机安全性。

2.7.4建议调整现有变桨轴承尺寸，增加轴承强度。

2.7.5建议对已装风机的变桨轴承状态进行识别。

2.8分析结论

不管是国内或国外风电整机厂，还是制造用于风电的轴承厂商，在早些年的轴承选用时，整个风电行业更多关注地是变桨轴承的强度设计，对变桨轴承的滚道、钢球及相关连接螺栓，通过工程计算的方法来计算轴承的强度，从而进行变桨轴承的选型。随着技术的发展，风电行业采用了计算更为准确的有限元计算方法，对强度和刚度的计算更为准确。

整机厂商认为造成本风电场变桨轴承保持架失效的根本原因是：机组正常运行的过程中，变桨轴承的钢球会在允许的范围内运动。随着负载加大，变桨轴承内外圈轴线相对转角也会变大，钢球运行轨迹从而出现偏离，直至到极限负载下，变桨轴承内圈滚道的最大变形接触角会接近滚道边缘角度。滚道边缘的长期受载会改变保持架的受力状态，导致保持架出现异常磨损，严重时出现滚道边缘压溃以及保持架断裂的可能。

3、整改情况

通过有限元模型分析，变桨轴承加固前后数据对比如下：

3.1滚道载荷更加均匀：上下滚道最大最小载荷比由原来1.29减少到1.12，改善滚道受力的不均匀性；

3.2滚道最大接触角减小：未加固前变桨轴承极限载荷下接触角达到75°左右，加固后减少至70°。

4、经验总结

简单粗暴地增加叶片长度造成的可靠性问题甚至连行业主流设备商也未能避免，出现了批量变桨轴承失效问题，行业需要反思。

机组关键部件的可靠性不能单纯依靠部件制造商来保障。整机设备企业需要从系统设计的角度，权衡成本、可靠性和性能的关系，从风机设计源头将供应商的部件设计集成在整机系统设计中，这样才能从整机系统理解关键部件的受载状态，从而针对性地从设计、工艺、制造的全过程对部件管控，确保部件在整机系统中的可靠性。

如果不清楚关键部件在风机系统中协同的运行机理，不能深入管理到供应商设计和工艺的细节，只是孤立地对部件提出可靠性要求，是行业出现大量失效问题的关键所在。事实也证明，如果变桨轴承在行业内大规模失效的问题能够从研发源头，从设计之初建模时就充分从系统层面考虑，可以有效避免变桨轴承批量失效等问题的发生。