风力发电机主轴轴承使用寿命测试研究及维保方式简述

摘要：不同于一般工业用滚动轴承，风力电机主轴轴承的工作环境相对恶劣并且工作情况多变，载荷幅值变化受环境影响具有很大随机性，轴承后期维护较为困难，且维护成本高，这就对风电轴承的可靠性和使用寿命提出了更高的要求。为验证风电轴承的可靠性，常对其进行寿命测试。由于轴承属于高寿命产品，在时间和经费双重制衡下，常规寿命测试无法实现，需采用加速寿命测试。

关键词：风力发电机；主轴轴承；寿命测试；维护保养；

引言

基于本文论述方向提供简单假设：由于某公司提供给我公司的主轴承在风场运行中受到损坏，不能满足风力电机运行要求，而要更换主轴承的阀门工耗远远大于轴承本身的质量损失，因此需要分析轴承故障的原因，以验证主轴承供应商和运营商之间的责任是风力机安装运行的首要任务。 导致某些类型风力机的轴承力主要包括叶片和轮毂的重量、主轴的重量、轴承核心的力、作用在主轴上的力以及风和轮毂的力，因此主要轴承受到径向力的影响，并且部分由于风力引起的轴向力更为复杂，会随风力的变化而变化并产生振动，因此轴承失效分析涉及更广的区域，很难获得准确的失效原因[1]。

1条件假定

风电机组主轴轴承运行工况特殊、随机性强，除了承受轴向载荷、径向载荷和弯矩外，还承受冲击载荷[2]。测试过程中加载随机的疲劳载荷比较困难，为简化试验加载过程，在满足试验结果的前提下，需要对机组载荷进行等效简化处理。加速寿命试验通过提高试验载荷、增加试验转速和缩短试验时间，实现轴承加速疲劳验证的目的。为保证加速寿命试验的准确性，试验应遵循下述准则：

（1）轴承在正常应力水平和加速应力水平的寿命服从WeiBull分布，应力水平的改变不会改变寿命分布类型。

（2）轴承在正常应力和加速应力水平下的失效机理不变。

（3）在加速应力水平下，轴承的工作原理不变，影响轴承寿命的载荷和应力性质不变。

2维护保养方式分析

风力发电机的主轴承就像在密封条件中工作，因此它们的日常维护使用润滑方法：6个月内必须加满润滑油，也就是在机组停机时，每次加满油大约2.1公斤，这种维护方法很简单，但在关闭状态下加满油也有缺点，无法擦除轴承内部的所有滚珠和支架，只能在一个地方润滑，并且在实际运行中易出现润滑点，维护人员通过肉眼无法确定润滑油是否连接，并认为油已完成，但实际情况是油没有进入轴承润滑，导致轴承变黑、机油短缺等，从而导致轴承由于更大的摩擦和振动而疲劳[3]。单个双馈风力发电机的主轴承由于轴承维护和维护量小，导致内部腐蚀和铁壳磨损，加上唯一的充油方式可能导致轴承疲劳，并在重负荷下增加铁碎片，从而导致对轴承使用寿命产生不可逆转的损坏。

3主轴轴承故障的主要原因

（1）材料是决定主轴承质量的重要因素。风扇主轴承与轴承设计、加工水平和制造设备之间存在差异，尽管我国在2007年创建了JB/t1705-2007，并修订了GB/t18254-2002《低碳实钢标准》，提高了对碳化物、偏析、含氧量和混合材料的要求，但仍难以完全实施。国内冶金技术和成本等由于真空脱水的广泛应用，使我国对接近国外水平的钢轴承的氧含量控制有了较大的提高，但在碳均质、碳酸盐晶格控制、混合控制等方面仍存在较大差异。这将导致国内风力轴承的质量、使用寿命、可靠性和一致性与国外产品相比存在明显差距，所以必须考虑到服务条件、失效形式、材料本身的价格性能、相应的加工条件和制造成本以及轴承零件的制造成本本身带来的影响[4]。

（2）轴承的热处理不当。钢的输送状态大多是球形的，以方便加工。钢轴承的球磨时间长，耗费时间和精力较大。研究和生产结果表明，加热时奥氏体含量应控制在0.5%左右，既可以实现奥氏体基本的高硬度，又可以获得足够体积比例的合金碳化率，而约奥氏体0.5%含量的钢材具有较高的强度和可塑性，可以明显改善轴承的接触疲劳。

（3）作为风机传动系统的支撑部分，必须在内回路与外壳之间建立有效的油膜，从而降低轴承摩擦损失，有效地提高风机轴承的使用寿命，使用自动润滑系统，合理地设置润滑参数，并进行有效的手动维护，这是确保轴承正常运行的可靠方法[5]。缺油可能导致轴承润滑不良，造成干摩擦，致使轴承损坏严重。

（4）如果在运行风扇之前进行运输时保护不当，可能会导致主轴承表面出现轴向压力，这也可能是轴承损坏的原因之一。

4维护保养措施

（1）轴承润滑保养应按照SKF240/630BC轴承保养手册的规定，每6个月补充2.1公斤润滑油，与之前使用的填充方式不同，我们可以尝试使轴承内的油接近变速器侧轴承盖以确保轴承润滑均匀，如果原始保养手册中的润滑效果不充分，可以打开轴承盖并用油枪将其加满，从而不会损坏轴承结构及滚珠间隙；当轴承盖打开时均匀添加，以确保每一个球和滑动面形成一个保护膜，该保护膜在充油时充当润滑油，在风力发电机内运行，以确保润滑油均匀分布，使其在轴承使用寿命范围内得以作用。

（2）在5至8年内，必须按照轴承维护说明更换轴承油，而油量约为9.5kg，传统的换油方式是打开轴承盖，手动清洗油垢，然后用新油填充轴承间隙，但这种方法存在主要缺点：不能保证完全清除不符合使用规定的油垢；了解轴承在提高使用寿命后的实际情况考虑到诸多缺点，创新的轴承清洁方法是目前风电保养中相对欠缺的一项技术内容，且风力发电机行业中的轴承清洁方法尚未形成系统。

结束语

为了确保风力发电设备的持续、安全运行，为我国能源行业做出贡献，应该综合分析润滑油脂的各项数据，采用适合的润滑技术，来维护风力发电机的主轴轴承，满足二十年设计寿命要求。本次轴承试验仅基于球面滚子轴承进行验证，轴承型号相对单一，试验样本偏少。后续需要增加轴承类型，通过大样本试验数据积累，提高本测试理论的泛化能力。

参考文献：

[1]自动化技术、计算机技术[J].中国无线电电子学文摘，2011，27（03）：166-245.

[2]李英昌，刘桂然，员一泽.风力发电机主轴轴承加速寿命试验研究[J].机械，2023，50（03）：14-20.

[3]凤凰山銅矿採选设备调查[J].有色矿山，1973（02）：1-37.

[4]张春雁，窦真兰，王俊等.电解水制氢-储氢-供氢在电力系统中的发展路线[J].发电技术，2023，44（03）：305-317.

[5]刘可昂.风力发电机组故障诊断算法研究[D].北京邮电大学，2018.