陈沈伟
浙江浙能嘉兴海上风力发电有限公司 浙江 嘉兴 314201
摘要：在科学技术不断发展的背景下，近年来制造风电机组的企业也提升了制造水平，偏航轴承是风力发电机组中的核心零部件，但是由于其所处的自然环境较为恶劣，再加上设备长时间处于工作状态，因此，风电机组的偏航轴承经常出现故障，从而影响风力发电机组的整体性能。本文主要分析风力发电机组偏航轴承故障原因
关键词：偏航轴承；失效；风电机组
引言
风力发电是一种清洁能源，近年来装机容量快速增长。偏航轴承是风电设备中最重要的零部件。偏航轴承性能与工况的好坏直接影响偏航系统甚至整个设备的性能。因此，研究偏航轴承的失效机理，提出合理化建议为改善轴承质量提供一定理论依据，对生产实践起到一定的指导意义。
1、偏航轴承故障原因分析
1.1设计制造对偏航轴承寿命的影响
在偏航轴承的设计工艺中，接触角、沟道结构和密封设计以及材料的选择等各个方面都对轴承的使用寿命产生各种不确定的影响。要保证偏航轴承具有较高的使用寿命和运行可靠性，就必须在机械加工工艺上确保零件各个指标符合标准，如旋转精度、尺寸精度、表面粗糙度。某风场27号风机偏航轴承故障后，该风场对33台风机所有偏航轴承进行了检查，密封不严对偏航轴承失效的影响该风电场位于高原，冬季最低气温在－40℃以下，且该地区冬期较长。偏航轴承要承受风力发电机主传动系统的全部质量，靠近机头侧偏航轴承轴向分力增加，机头侧轴承受压应力，机尾侧受张应力，机头与机尾方向产生不平衡力趋势，导致轴承内前后两端受力复杂。随着机组运行时间的增加，偏航轴承连接螺栓会随着机舱的偏航和震动产生应力松弛现象，从而扩大机头与机尾两端的不平衡状况，机组在运行和停机时会在两端产生交变应力。丁晴橡胶密封圈长期在超过使用温度的极端恶劣环境下工作，反复受交变应力变化的影响，导致密封圈老化、变形、破裂和脱落的现象。密封条件变坏、泄漏，加之该地区风沙较大，外界杂质很容易进入轴承内部，并在轴承滚动体与沟道之间形成疲劳源，导致润滑油脂恶化并加速轴承的接触疲劳失效。
1.2润滑不良对偏航轴承失效的影响
滚动轴承润滑的目的是减少轴承内部摩擦及磨损，另外还有防止金属锈蚀的作用。润滑不良会引起轴承的磨损失效，影响材料组织和轴承的正常工作。本案中偏航轴承使用的润滑脂为福斯gleitmo585K，是一种合成油为基础油的高级锂皂润滑脂，适用温度范围为－45℃～+130℃。润滑脂的性能，很大程度上受温度变化的影响，温度升高，油脂结构失稳，温度降低，运动黏度增加。温度频繁变化且幅度很大，会加剧凝胶、分油。该风场处于高寒地区，自然环境恶劣，冬期较长且昼夜温差较大，每年12月至次年2月，连续出现－40℃左右的天气情况较多，油脂的运动黏度增加，有产生质变的趋势。随着密封圈的老化、破裂，杂质进入轴承，外因的出现诱发了内因的质变，导致润滑油脂恶化。密封泄漏也增加了润滑油脂的损耗，润滑工况急速变坏，轴承摩擦热量积聚，加速基础油蒸发、氧化变质，造成油脂板结，进一步加剧了轴承滚动体与沟道的磨损失效和偏航轴承的振动，在这种不利的状态下循环往复，导致轴承丧精失效，滚道磨损剥落，缩短了轴承使用寿命。该公司辽南某风场年平均最低气温－11.5℃，安装的33台风机与本案为同厂家同型号机组，且偏航轴承使用的润滑脂为同品牌同型号产品，投产9年，运行良好，未发生润滑不良的情况。
1.3运行工况对偏航轴承失效的影响
该风场平均海拔1180～1230m，受强大的内蒙古寒冷高压气流长时间控制，70m高度年平均风速在8.4m/s，在外力和环境温度作用下，该风机在主力风向90°范围内频繁对风，偏航轴承同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩。
风机开始偏转时，将产生冲击力矩，偏航轴承要承受发电机加叶轮共计约74t的机舱惯量，并且承受相当大的陀螺力矩。由于轴承内部工作环境和润滑条件的恶化，加之偏航轴承长期受交变载荷和冲击力矩的影响，加速了偏航轴承的接触疲劳失效。截至目前，与该风场同年建设投产的132台其他地区的该公司风力发电机组，地域环境、温度及风资源等运行工况与该风场相比较好，尚未发生类似偏航轴承故障。
2、解决风电机组故障的对策分析
2.1采用绝缘端盖
为了降低轴承电腐蚀现象的发生，可以安装绝缘端盖，从而阻断轴电流回路，实现抑制电机轴电流的目的，这也是一种较为新型的电机组零配件，可以有效解决当前电机中存在的轴承腐蚀问题。该结构主要包括绝缘前盖、轴承室、轴承螺栓外的绝缘套管等，通过在前端盖与轴承室的接触面之间安装绝缘垫片，与传统技术相比，通过在普通的轴承后安装了可以替换的绝缘端盖，不仅可以有效避免电腐蚀，同时也能够降低的电机组的维修费用和生产成本，实现经济效益与社会效益的统一。
2.2采用绝缘轴承
为了避免轴电流对轴承的灼伤损害，应该采取有效措施隔绝轴电流，可以使用绝缘轴承。例如，对于两端利用独立轴承座的大型电机，可在轴承座与金属底座之间放置绝缘材料做成的隔离垫片，而对于普通的轴承与机壳组装成一体的电机，则通常安排在非主轴前端，使用绝缘轴承，对于要求较高的场合，则可以两端均安装绝缘轴承。当前使用的绝缘轴承一般为外圈附加绝缘层的办法，偶尔也会使用内、外圈均附加绝缘层的绝缘轴承。其次，加强对绝缘轴承的检查，例如，为了保障绝缘性能，需要对绝缘轴承的绝缘情况进行测量，其中包含轴承的绝缘电阻、轴电压以及轴电流等，测定电机轴电压的目的就是掌握电机中的轴电流大小，得到轴承电流的数值。根据相关资料显示，轴电流的损害主要发生在机座号为280及以上的变频电源供电电动机或者是普通的大中型高压电机中，因此需要增强检查力度。最后，为了确保轴承的性能，用裸铜线绑扎将铝箔固定，再与仪表L端连接，还可以将绝缘轴承装入轴承座或电机端盖轴承室中，在没有电的通路的状态下，测量转轴与轴承座之间的绝缘电阻，确保数据的精确性。
2.3加强转轴接地
使用高电导率碳刷直接接触发电机非驱动端转轴,接地效果更佳,降低转子轴电流损害发电机传动系统、变频器发生概率,提高发电机运行可靠性,碳刷接触线速度较传统集电环端更低,降低碳刷磨损率,提高碳刷使用寿命,碳刷安装位置更便于碳刷磨损检查和碳刷,碳刷滑环维护。另外，还可以在发电机中安装接地系统，的发电机可以利用变频器IGBT对发电机转子进行供电，从而控制电能的质量，确保发电机的正常运转，与此同时变频器还可以对发电机的转子给予一定的电压脉冲，然后令转子轴、发电机轴承和机座中形成高频的环流，而发电机中产生的这些电流，可以利用接地碳刷，将其迅速导入到大地中，避免转子轴由于接地不良，导致电流无法被导入到大地，从而致使轴承通电，最终由于电腐蚀令轴承出现故障，因此，相关工作人员可以加强转轴接地，通过安装良好的转轴接地系统，令发电机中转子轴对称的两侧均可以同时接地，进一步保障发电机转子有效接地，促进电流的导出，减少电腐蚀现象的发生。
结束语
随着风力发电机组功率的不断增大，对风力发电机组配套轴承的需求也不断增加，因此应着手对风电材料选择及冶炼工艺、热处理工艺等进行改进，以此提高轴承的安全可靠性和使用寿命，从而生产出满足大功率风电机组的轴承钢。并进一步国产化，从而缩小与国外先进水平的差距，加快我国新资源和可再生资源的发展。
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