（国华（通辽）风电有限公司 内蒙古通辽 028000）
摘要：为了有效的减少天元1.5MW双馈式发电机的轴承损坏率，通过设备运行状态及数据的分析、测量等方法，对天元1.5MW双馈式发电机轴承损坏的分析研究，验证了本篇论文所提理论的有效性和优越性，充分的论证了导致发电机轴承损坏的原因，结合工程实际，本文提出了了本次针对天元1.5MW双馈式发电机承技改的细节、技改方法，提高天元1.5MW双馈式发电机轴承使用寿命，减少设备运行成本。
关键词：天元；发电机；轴承；振动；技改
1、引言
发电机，为风力发电机组中的重要部件，目前，目前国华通辽分公司共有发电机类型两种分为双馈式及直驱式，其中，双馈式分为东汽1.5MW发电机、天元1.5MW发电机、佳木斯1.5MW发电机、盾安1.5MW发电机，其中，东汽发电机、天元发电机数量占比例较高经过6年多的风机运行状态记录以及风机振动监测系统采集数据对比，天元发电机的轴承损坏率远远高于同场内其他机型。本课题主要研究针对天元发电机轴承技改后的轴承运行状态、损坏情况。
本文首先概述了本次针对天元发电机轴承技改的细节，其次是课题的目的以及意义，通过数据的横纵向对比，说明本次技改后达到的效果。
2、研究背景
2.1天元发电机运行中存在的问题
经过几年的运行数据的积累，结合振动监测系统的数据分析，发现天元1.5MW双馈式发电机的轴承损坏率较高，天元1.5MW发电机使用的是轴承损坏情况多为轴承外环内圈出现鱼鳞式波纹（如图1所示），造成发电机在运行过程中，振动较大，导致风机故障率上升。
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图1
2.2 同场内各类机型轴承损坏情况
对比代力吉风电场及国泰风电场现有的东汽机型及华锐机型历年轴承损坏及更换数据（如图2所示），可以看出，华锐机型的发电机轴承损坏率相对较高
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图2
而在华锐机型所配备的4个厂家的发电机中，其中，天元发电机轴承损坏率最高（如图3所示）
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图3
3、研究目标及内容
3.1研究目标
本次研究主要针对天元发电机轴承损坏问题进行研究治理，通过对发电机的技改以及制定相关措施，有效的延长天元发电机轴承的使用寿命。
3.1研究内容
3.1.1深沟球轴承特性
目前的天元1.5MW双馈式发电机驱动端及非驱动端均使用深沟球轴承（GB/T 276—1994）（厂家及型号：SKF-6326/6328）原名单列向心球轴承，是应用最广泛的一种滚动轴承。其特点是摩擦阻力小，转速高，能用于承受径向负荷或径向和轴向同时作用的联合负荷的机件上，也可用于承受轴向负荷的机件上.
3.1.2 深沟球轴承优缺点
深沟球轴承的优点：
径向游隙比较小，向心角接触轴承可用预紧可用预紧力消除游隙，运转精度高；一般条件下，滚动轴承的效率和液体动力润滑轴承相当，但较混合润滑轴承要高一些；对于同尺寸的轴径，滚动轴承的宽度比滑动轴承小，可使机器的轴向结构紧凑；标准化程度高，成批生产，消耗润滑剂少，便于密封，易于维护，不需要有用有色金属成本低。
深沟球轴承的缺点：
振动及噪声较大；径向尺寸比滑动轴承大；承受冲击载荷能力较差；高速重载载荷下轴承寿命较低
3.1.3轴承损坏原因分析
3.1.3.1轴电压轴电流的产生及危害
由于风电机组变频器采用 PWM 的调制方式，功率器件在快速开关时刻不可避免地产生电压尖峰，该尖峰的电压变化率（dv/dt）极高，可超过3000V/s，该尖峰电压对应的频率约为1MHz[1]，可以轻易地通过传动系统的寄生电容、寄生电感耦合至电机的轴，再传导（或通过绝缘层容性耦合）至轴承的内圈，击穿油膜后传导至轴承外圈，外圈通过传导（或通过容性耦合）与地形成回路，产生高频轴承电流，由于油膜被高频轴电压击穿时，击穿点面积非常小，致使电流密度非常大，在击穿点局部产生极高的温度，使其金属分子熔融或直接蒸发。如此长期逐渐积累，在轴承上形成肉眼可见的搓衣板纹，最终导致轴承失效（如图4所示）。
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图4
3.1.3.2轴承润滑失效
润滑油在轴承旋转过程中会产生油膜，所形成的寄生电容记为 Cb，如图5所示，Cb电容值大小主要受油膜厚度的影响，而油膜的厚度由油脂的特性、电机的转速及油脂的温度等因素决定。风电机组在高空摆动情况下将造成轴承油膜不稳定，一旦 Cb 上的电压高于油膜能承受的电压时，油膜被击穿，Cb内存储的电荷通过极小的击穿点导通放电，在轴承滚道表面微小的金属面上产生极高的电流密度，瞬间产生极高的热量使放电点的金属熔化，形成凹坑。随着风电机组运行时间的不断增加，由于高频轴电压击穿油膜放电而持续形成的轴承表面凹坑不断增多，破坏轴承内圈、滚动体、外圈的光洁度，逐渐积累形成了滚动体表面肉眼可见的搓衣板纹，最终导致轴承由于游隙过大、振动过大、温升过高等因素失效。
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图5
3.1.4改进措施
3.1.4.1一次改进措施
检修人员专人跟踪定期检查发电机自动加脂机运行情况，并且定期手动给轴承注油，运行人员时时记录发电机前后轴承温度变化，加大轴对中检查的频率，保证对中精确度，最大限度的排除了由润滑、安装工艺、轴对中等原因在内的可控因素，经过一段时间观察，仍有轴承振动报警，更换后发现90%都是由电蚀造成的搓衣板纹伤痕，也就是说轴电压和轴电流对轴承的损伤最大，针对轴电流，我们提出的改进措施就是在发电机驱动轴端安装接地碳刷，以降低轴电位，减少转轴上的电荷积累量，有效的将轴电流分散导入接地端，具体方法如下：
1、在发电机驱动端轴上固定表面光滑的接地环，使其与发电机轴紧密接触且牢靠。
2、在发电机驱动轴端盖上安装接地刷架，并将碳刷报警接线串联到定子接线盒中的集电环碳刷报警回路中（如图6所示）。
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图6
3、将接地刷架的接地线围绕电机引到非驱动端，如图7所示。
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图7
3.1.4.2二次技改措施
经过多次的数据测量及运行状态分析，在经过天元发电机驱动端接地装置技改后，决定将天元发电机所使用的SKF厂家生产的6326/6328型号的驱动侧以及非驱动侧轴承，技改为6330/6330型号的轴承，通过对轴承型号的加大，增加径向负荷或径向和轴向同时作用的联合负荷承受能力。
3.1.5.技改效果
3.1.5.1技改后的损坏率
在针对天元发电机的各项技改及措施执行后，通辽分公司现有的天元发电机轴承损坏率存在下降趋势，说明前期措施执行存在一定效果，但由于设备投运时间较长，轴承老化严重，成为了影响轴承损坏率的重要因素。但通过数据分析（如图8），天元发电机轴承在损坏率在2018年度技改完成后，存在明显的下降趋势
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图8
3.1.5.2数据测量
在技改后，选取15台不同条件的机组进行测量试验，其中5台机组更换过发电机两端轴承震动趋势平稳，5台更换过发电机两端轴承但震动趋势有上升机组，5台未更换过发电机轴承的机组，按照以上方法测量技改前后的数据平均值进行对比（如图9、图10所示），天元发电机运行过程中的轴电压及轴电流有明显下降并趋于平稳状态。
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图9
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图10
结合震动监测观察，经过近3个月的观察后发现，虽然所选的机组轴承状态不一样，但是技改后的机组发电机震动趋势都比较平稳，没有上升趋势，说明轴电压及轴电流对新更换的轴承的损坏情况得到了有效的控制。
4、研究结果及经济效益
4.1 产生的经济效益
剧不完全统计，其中驱动侧轴承单价8000元，非驱动侧单价12000元，安装费用每台5000元，合计更换成本每台2.5万元，2016年更换轴承所产生费用大概在40万元，按照目前维护保养效果和振动监测趋势图分析，技改后轴承使用寿命至少能够延长两年，预计两年内减少更换轴承费用100万元左右，减少检修维护成本。
4.2 研究结果
通过本次针对轴承损坏情况的研究分析，经过两次对发电机设备的技改，轴承损坏率得到了有效的控制，在减少了运行成本的同时，提高了单台的风机的运行时间及发电效率。增加风电场经营效益，有效提高风电场生产管理水平，实现降本增效的管理理念。
参考文献：
[1]9FA燃气轮机可倾瓦油膜涡动故障分析与处理[J].赵卫正，陈海鑫，周仁米，金昊.燃气轮机技术.2017（04）
[2]燃气—蒸汽联合循环机组轴系振动问题综述[J].黄葆华，宋亚军，孙燕平，张晓斌.热能动力工程.2017（05）
[3]S109FA联合循环机组轴系波动研究与实践[J].李德兵.燃气轮机技术.2016（04）