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关于风力发电机组轴承“跑圈”问题的分析与建议

中国船级社质量认证公司

2017年3月7日，针对风电机组轴承突出的故障“轴承跑圈”问题，由中国风能协会名誉主任贺德馨先生等几位老专家发起，在中国船级社认证公司召开了风电轴承“跑圈”故障研讨会。出席此次研讨会的资深专家还有：风能协会资深委员姚小芹、华能新能源公司原副总工程师王斯永、杭州前进齿轮箱集团股份有限公司原总工程师宣安光、南京高速齿轮箱集团公司原副总工程师郭宝霖、中国轴承工业协会顾问、原西北轴承公司总工程师何加群、河南科技大学教授叶军等。在结合专家现场讨论及后期资料整理的基础上形成了该报告，现对外发布。

一、轴承“跑圈”问题的现状

所谓轴承“跑圈”，就是轴承的外圈与轴承座或者内圈与轴产生了相对运动。变速箱的行星齿轮发生跑圈，会对变速箱产生不可修复的损毁。

从2015年年初开始，运行的风电机组逐渐暴露出变速箱轴承“跑圈”的问题。根据不完全统计，近年来我国装机运转的十万多台机组中，发生“轴承跑圈”故障占10%以上，不仅是轴承应用较多的双馈电机型机组，就是主传动系统轴承较少的直驱机组也发生了类似的故障，其总数也超过了1000台。根据一个电力设备研究机构的人员最近抽测一批在运机组的结果，振动频谱显示相当高比例的机组存在跑圈的问题（按照他们的说法是几乎百分之百）。国外厂商的部分机组也存在轴承跑圈问题。从发现的轴承“跑圈”的总体情况看，变速箱高速端比例较高，行星齿轮轴承“跑圈”的比例较低。但是在个别几个厂家的产品中，行星齿轮轴承“跑圈”的比例比较高，出现批量故障。

轴承跑圈造成的损失会大大提高风电机组的运维成本，对未来保险公司保费费率也可能产生影响。

目前，国内多数发生轴承跑圈的整机厂家、开发商、保险公司并不了解这个情况，故障都是由变速箱厂自己处理，并未如实告诉客户变速箱损毁的原因。这种情况，导致这种高风险、高成本的故障成为风电运行和保险行业巨大的潜在风险。

对于变速箱高速端轴承“跑圈”故障的处理多数是在故障发现后，采用镶套或使用聚合物粘结剂的方法解决。这两种方法在地面设备上有比较成熟的经验，但是对于风电机组变速箱高速端轴承，是否可以保证修复后长期使用，目前尚无成熟经验。

对于行星齿轮轴承“跑圈”，目前国内还没有提前发现“跑圈”故障的成熟技术，而且由于机组形式和运行环境的差异导致轴承“跑圈”的频谱的差异，因此绝大多数行星齿轮轴承“跑圈”故障是在变速箱损毁后确认的。

对于直驱机组主轴承跑圈，在轴承未发现明显损伤的情况下，采取再调整轴承游隙的办法处理；若轴承损伤，则更换主轴承。

二、轴承“跑圈”问题的分析

究其根本是由于轴承选型不当、结构设计和载荷设计不当、制造过程中工艺控制不当、轴承游隙调整不当、轴承润滑不当、设备储存或运输不当等原因，使得轴承滚子和轴承滚道发生比较严重的滑动半干摩擦，最终导致轴承“跑圈”。

1.?主轴轴承

（1）采用双列调心滚子轴承的兆瓦级风电机组的主轴轴承，同时承受轴向及径向的载荷，失效的概率较高。这是由于双列调心滚子轴承的游隙较大，上风向侧的轴承承受载荷很小，大部分径向载荷和轴向力由下风向轴承承受，造成滚子过多的打滑，加上润滑不良使材料发生从点蚀到粘附剥落，座圈和滚子以及保持架受力不均发生变形，改变了座圈与轴承座的配合，出现“跑圈”、卡死等常见故障。

（2）新的传动系统设计时，主轴轴承已很少选用调心轴承，推荐选用圆锥滚子轴承，径向和轴向承载能力强，可通过预紧使滚子均匀受载，滚子不易产生滑动摩擦。但是，由于安装工艺对装配工人的经验和技术要求比较高，轴承游隙调整不当依然可以引发半干滚动摩擦，继而出现跑圈故障。

（3）轴承装配采用热装法。由于没有足够尺寸加热装置，而采用局部加热法，加热不均匀，造成轴承变形。

（4）运输过程中机组减震措施不当，或轴承某一部分长时间承重，造成滚道局部变形。

（5）目前在运的风电机组主轴轴承的润滑方式主要有两种：润滑脂润滑及压力润滑油润滑，其中使用润滑脂润滑比例较高。风轮的转速一般在10-20转/分，低转速导致主轴轴承和行星架支撑轴承的油膜形成往往比较难。若油膜厚度不足以隔开两个金属表面，则润滑没有达到预定的效果，轴承就会发生早期磨损，产生材料剥落的损伤，发生半干滑动摩擦，继而导致轴承跑圈。压力润滑方式对改善轴承的工作条件十分有利，除了及时形成油膜保护滚道滚子之外，还能带走热量和磨粒，延长使用寿命。推荐有条件的情况下，主轴轴承也使用压力油润滑。

2.?变速箱轴承

变速箱中高速轴侧轴承发生跑圈的比例高于行星轮轴承。两者发生的原因是不同的。

高速轴侧轴承

（1）轴承与轴承座的配合公差选择不合理，导致过盈量不足。由于风电机组运行的外部环境差别很大，选用标准公差带很可能不能适应运行条件。

（2）装配时工艺控制不严格，造成轴承与轴承座的极限上偏差与极限下