双馈风力发电机轴承跑圈机理及预防方案

1. 引言

在全球能源结构转型的大背景下，可再生能源，尤其是风力发电，正逐渐成为主导未来能源市场的重要力量。风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，在减少温室气体排放、缓解全球气候变化方面发挥着举足轻重的作用。双馈风力发电机（DFIG）在风力发电领域扮演着重要角色。它具有调速范围宽、有功和无功功率可独立调节等优点，故风电行业中双馈风电机组占比较高，双馈风力发电机作为风力发电机组中的重要设备，其可靠运行对保障机组电力供应至关重要。然而，轴承跑圈故障是影响发电机正常运行的主要问题之一。

针对双馈风力发电机轴承跑圈问题的研究还具有广泛的行业应用价值。随着全球风电市场的不断扩大和技术的持续进步，双馈风力发电机的应用将更加广泛。通过解决轴承跑圈等关键技术问题，可以进一步提升双馈风力发电机的市场竞争力，推动风电行业的持续健康发展。

开展双馈风力发电机轴承跑圈机理及预防方案的研究，

轴承跑圈会导致轴和轴承内圈的相对滑动，进而产生严重的机械损伤，严重影响发电机的性能和使用寿命。因此，深入分析轴承跑圈故障的原因，并提出有效的预防措施，不仅有助于解决当前风电行业面临的技术难题，还将为风电技术的长远发展奠定坚实基础，对于推动全球能源结构的绿色转型具有深远意义。

2. 轴承跑圈机理

轴承跑圈故障通常表现为发电机振动加剧、轴承温度升高，甚至产生异常噪音。故障轴承的内圈与轴的配 合面会出现明显的磨损痕迹，导致内圈与轴之间的配合间隙增大，严重时会导致内圈与轴完全分离，引发严重 的机械故障。

3.2 轴承工作游隙偏小

轴承工作游隙偏小也是导致轴承跑圈的一个重要因素。轴承游隙是指轴承内圈、外圈与滚动体之间的间隙，它对于轴承的正常运转至关重要。当游隙过小时，轴承在运转过程中会受到过大的接触应力，这不仅会加速轴承的磨损，还可能导致轴承温度升高，进而引发润滑油膜的破坏，增加轴承跑圈的风险。

3.3 发电机振动偏大

发电机振动偏大是导致轴承跑圈的另一个重要原因。振动不仅会影响轴承的正常工作，还会导致轴承内外圈的相对位移，从而引发轴承跑圈。振动可能来源于多种因素，如不平衡的转子、松动的连接部件、或是基础结构的不稳定等。这些因素都会导致发电机在运行过程中产生额外的振动，进而影响轴承的稳定性和寿命。

3.4 摩擦副材料性能差异

摩擦副材料性能差异也是导致轴承跑圈的一个不可忽视的因素。轴承的摩擦副包括轴承内圈、外圈、滚动体和保持架等部件，这些部件的材料性能直接影响到轴承的摩擦和磨损特性。当摩擦副材料之间的性能差异较大时，会导致轴承在运转过程中出现不均匀的磨损，进而引发轴承跑圈。例如，如果轴承内圈和滚动体的硬度不匹配，可能会导致滚动体在滚动过程中出现打滑现象，增加轴承跑圈的风险。因此，在选择轴承材料时，应确保各摩擦副材料之间的性能匹配，以减少因材料性能差异导致的轴承故障。

3.5 润滑不良

润滑不良或润滑油污染。良好的润滑是保证轴承正常运行的关键。如果润滑油量不足、油质不佳或污染严重，就会导致摩擦系数增大，磨损加剧，进而引发跑圈现象。例如，润滑油中的金属颗粒、水分等杂质会破坏油膜的完整性，降低润滑效果，甚至造成滚动体与沟道之间的直接摩擦。

轴承跑圈的主要原因为在运行状态下，轴承内圈与转轴过盈量不足所至。

轴承跑圈机理相关的受力情况如下：

图1 轴承跑圈转轴损伤情况

轴承内圈与转轴承过盈配合，由有轴承内圈装配后受力膨胀，存在一定的P 力，而转轴和轴未相对位移时，存在静摩擦力，具体公式如下：

d₂ —装配后转轴的实际直径E₂ —转轴的弹性模量B —转轴与内圈的接触区宽度μ —转轴与内圈之间的摩擦系数P—内圈作用到轴承上的压力转轴与轴承内圈过盈配合产生的静摩擦力d₁⋅ —装配前转轴的直径

轴承在运行过程中，由于需轴承滚子与轴承内圈磨损故存对应的摩擦力矩，轴承摩擦力矩为：

ࣆ —轴承的摩擦系数

P_≅#M⊗ℏ —轴承的当量动负荷

轴承内受到的摩擦力矩M 传递至轴承内圈与轴的配合产生的：

故当F2＞F1 时，将发生轴承内圆和转轴相对位移，由于轴承硬度大于转轴，导致转轴磨损，直至发生跑圈。3. 轴承跑圈原因分析

3.1 轴承与转轴配合过盈量不足

轴承与转轴的配合过盈量不足是导致轴承跑圈的常见原因之一。过盈量是指轴承内圈与转轴之间的紧固程度，它直接影响轴承的固定性和旋转稳定性。当过盈量不足时，轴承内圈在高速旋转过程中可能会发生相对滑动，导致轴承跑圈。这种滑动不仅会加速轴承的磨损，还可能引起异常噪音和振动，  严重时甚至会导致整个风力发电机组的停机。

4. 预防措施

4.1 增加过盈量

确保轴承与转轴之间有适当的过盈量是防止轴承跑圈的关键措施。在设计和安装过程中，同时考虑运行是轴承内圈与转轴温差情况，应严格计算，选择合适的过盈量，确保其在合理范围内，从而确保在运行过程中内圈与轴之间不产生相对滑动，以保障风力发电机的稳定运行。

4.2 选择合适游隙轴承

为了防止轴承工作游隙偏小，因此，在选择轴承时，必须根据实际工作条件和负载情况，合理选择具有适当游隙的轴承，以确保其在各种工况下都能稳定运行，减少故障发生的可能性，减小轴承在运行过程中的应力，降低轴承的磨损。

4.4 涂抹防蠕动膏

为了防止摩擦副材料性能差异，应在装配过程中，在轴承内圈与轴的配合面涂抹防蠕动膏，以减小内圈与轴之间的摩擦系数，降低轴承跑圈的风险。

图2 涂抹防蠕动膏

4.4 降低振动

为了防止发电机振动偏大，为了预防这种情况，需要在设计和安装阶段就对发电机的振动特性进行详细分析和评估，采取相应的减振措施，如调整弹性支撑、重新校对转子动平衡、发电机重新对中等。在发电机的运行振动状态进行监测，并在必要时对发电机进行维修或更换，以确保其平稳运行。

4.5 采用振动在线监测提前预警

轴承跑圈故障前期，可能出现轴承滚子，轴承内外圈故障，短时出现轴承内圈与轴出现相对滑移，随着滑动次数增加，由于轴承相对转轴硬度更高，转轴出现磨损，导致整个转子轴系偏心，出现转频故障特征。利用振动在线监测技术，实时监测轴承运行状态，及时发现异常并处理，减少损失。

5. 结论

双馈风力发电机轴承跑圈现象的原因是多方面的，为了有效预防和解决这一问题，需要从多个角度入手，综合考虑各种因素的影响，提出针对性的解决方案。本文通过对双馈风力发电机轴承跑圈故障的深入分析，找出了导致故障的主要原因，并提出了相应的预防措施。通过增加过盈量、选择大游隙轴承、降低振动以、涂抹防蠕动膏以及振动状态在线监测等措施，可以有效避免轴承跑圈故障的发生，确保了风力发电机的可靠运行。

参考文献

[1]刘倩，双馈风力发电机转轴微动磨损原因分析及预防措施 ［J］轴承.2023-06-30

[2]庞文良，风电轴承“跑圈”［J］.机电设备 . 2017 ，34 （05）