風(fēng)力發(fā)電機軸承早期失效的原因——過載還是欠載？

風(fēng)力發(fā)電機及其組件經(jīng)過精心設(shè)計可正常運行20年以上。根據(jù)行業(yè)標準DIN ISO281的軸承額定壽命計算方法，滾子軸承的壽命與(C₁/P)^10/3成正比，其中C為軸承額定動載荷，P為工作載荷。基于風(fēng)力發(fā)電機軸承的額定動載荷及其預(yù)期工作載荷，軸承應(yīng)在預(yù)期使用壽命內(nèi)具有高可靠性，但實際上風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱軸承往往會在2~11年內(nèi)失效，主要由高速軸軸承、中速軸軸承和行星輪軸承造成。行星輪軸承失效成為主要問題，與可在塔樓上更換的高速軸和中速軸軸承不同，行星輪軸承的更換需使用起重機拆卸、運輸和場外維修齒輪箱。停機期間的收人損失和更換的直接成本大大增加了風(fēng)力發(fā)電的成本，這對化石燃料的需求、CO₂排放和能源可持續(xù)性具有不利影響。

齒輪箱軸承早期失效不是由于使用的材料不當或設(shè)計與實踐結(jié)合不足，Musial 等人得出結(jié)論:對失效最可能的解釋是在設(shè)計過程中未考慮重要的載荷情況。由于行業(yè)標準假設(shè)載荷與壽命成反比，因此合理地假設(shè)軸承早期失效由難以預(yù)測、建?；驒z測軸承過載所致。暴風(fēng)、陣風(fēng)、啟停瞬態(tài)、電網(wǎng)故障以及風(fēng)切變對軸承載荷和可靠性均具有重大且不可預(yù)測的影響。

通過滑動、滾動或兩者組合可描述2個接觸體之間的摩擦學(xué)相對運動?？捎没瑵L比(SRR)表征滾動體位于從滾動到滑動頻譜的某處位置，純滾動和純滑動的SRR分別為0和2?；瑒油斐煽焖偾也豢深A(yù)測的磨損，純滾動接觸的失效是滾動接觸疲勞的結(jié)果，可通過DINISO281進行預(yù)測。由于需要拖動力來維持滾動狀態(tài)，因此在低載荷下風(fēng)力發(fā)電機用圓柱滾子軸承的SRR會增加。Kang等人的結(jié)果表明，當C₁/P由1增加到2000時，風(fēng)力發(fā)電機用圓柱滾子軸承的SRR會增加一個數(shù)量級或更多。也就是說，當額定動載荷比工作載荷大幾個數(shù)量級時，滑動變得更加普遍。因此，為了防止過度打滑、磨損和不可預(yù)期的軸承壽命縮短，許多軸承制造商規(guī)定了最小額定載荷。

檢驗分析表明軸承失效主要是由于過度打滑和磨損造成的麻點、涂抹和白蝕剝落。Gould和Greco認為軸承反作用力不足以提供滾動所需的拖動力。潛在的因素是風(fēng)速變化引起載荷的可變性，軸承設(shè)計時必須考慮軸承承受極端載荷的情況，這種情況顯然極少發(fā)生。在更常見的風(fēng)速條件下，當載荷較低時，SRR增加，過度打滑增加了軸承表面損傷的風(fēng)險。

Guo等人采用儀表傳動系統(tǒng)的直接測量結(jié)果表明行星傳動系統(tǒng)支承了由懸臂轉(zhuǎn)子重量、風(fēng)切變、偏航及其他潛在因素造成的大部分非扭矩載荷。使用齒輪箱可靠性協(xié)作(GRC)標準齒輪箱的機械動力學(xué)模型表明非扭矩載荷向行星傳動系統(tǒng)的傳遞主要與行星架圓柱軸承的游隙有關(guān)。Guo等人以及Gould和Burris 的獨立分析表明在行星架運轉(zhuǎn)的不同階段,行星傳動系統(tǒng)的非扭矩載荷分配同時增加或減少了行星輪軸承反作用力。行星傳動系統(tǒng)分配的非扭矩載荷進一步降低了正常風(fēng)況下已經(jīng)很小的工作載荷。常見的瞬態(tài)事件(如電網(wǎng)故障和陣風(fēng))可能使?jié)L動體突然打滑，欠載導(dǎo)致軸承極易損傷。根據(jù)先前的研究，推測風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱軸承會由于過載、欠載過度打滑或兩者結(jié)合而發(fā)生失效。盡管許多論文的主題強調(diào)風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱軸承多數(shù)由于過載而失效但通過對失效軸承進行現(xiàn)場檢驗分析表明,欠載對于行星輪軸承可能更加不利。本文旨在闡明行星傳動系統(tǒng)的實際非扭矩載荷分配如何影響行星輪軸承載荷，特別是在過載和.欠載的工況下以及其如何導(dǎo)致行星輪軸承早期失效。

作者研究分析了在實際風(fēng)況下，典型的風(fēng)力發(fā)電機中GRC標準齒輪箱的行星輪軸承載荷的可能范圍。結(jié)果表明，無論風(fēng)速如何，行星傳動系統(tǒng)的非扭矩載荷分配都會增加每個轉(zhuǎn)子周期內(nèi)行星輪軸承反作用力的最大值，并減小反作用力的最小值。在沒有行星傳動系統(tǒng)非扭矩載荷分配的情況下，行星輪軸承過載僅在風(fēng)速為13.5 ~ 14.5 m/s下發(fā)生，欠載在風(fēng)速為4 ~5 m/s下發(fā)生。通過懸臂轉(zhuǎn)子重量的實際行星傳動系統(tǒng)載荷分配，過載下風(fēng)速擴展到12 ~19 m/s,欠載下風(fēng)速擴展到4~7 m/s。根據(jù)來自美國10個風(fēng)場已發(fā)布風(fēng)譜的分析，即使考慮到實際的非扭矩載荷分配，最壞情況下行星輪軸承的疲勞壽命至少為42年。10個風(fēng)場的行星輪軸承平均疲勞壽命為277年。在這相同的10個風(fēng)場中，預(yù)計行星輪軸承每個周期內(nèi)有40% ~ 70%(平均61% )的時間欠載。在欠載工況下，軸承可能失去拖動力，造成打滑以致軸承表面損傷，涂抹并最終在不可預(yù)知的時間失效。此外，打滑過程中發(fā)生的表面損傷會縮短疲勞壽命并加速疲勞失效。結(jié)果強調(diào)需要同時考慮軸承欠載和過載作為行星輪軸承早期失效的重要因素。盡管為減輕打滑，可增加齒輪箱的額定載荷，但這種變化會加劇軸承欠載的發(fā)生概率，甚至可能縮短齒輪箱使用壽命。

可能延長軸承使用壽命的方法有: