内蒙某风电场偏航轴承失效分析

内蒙某风电场偏航轴承失效分析

1张超    2姚兰花

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1必维质量技术服务（上海）有限公司

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2江苏四方清洁能源装备制造有限公司

1. 偏航轴承失效分析

偏航轴承的失效分析是一个复杂的课题，可能和轴承的设计、原材料、生产装配精度、密封、润滑、工作环境、所受载荷、使用维护等多种因素有关。本章节将结合上述各章节检查、见证、试验过程中出现的主要异常、失效特征、现象进行综合分析。

1.1文档主要问题

（1）风电机组偏航轴承载荷计算报告（载荷分析适应性报告）未提供，金风提供载荷适应性分析报告确认单。

（2）轴承厂家提供轴承合格证（实为金风监造检验文件），原材料入场检验记录只提供了隔球器入场检验记录，其余质量文件（装配过程记录、出厂检验报告）无法提供（厂家解释：存档文件丢失）；

（3）偏航轴承设计寿命、内圈沟曲率半径、外圈沟曲率半径、偏航轴承接触角、偏航轴承中心极限载荷、基本额定动载荷、当量动载荷、最大滚动体载荷等参数未提供。

1.2现场检验主要问题及分析

（1）偏航轴承自动润滑系统油位信号、油管堵塞信号未启用；

（2）A03#、A10#、B05#机位检查未发现有严重渗漏的情况，2018年风场更换了轴承密封圈。

（3）测量刹车盘与偏航闸钳边缘间隙、刹车盘与偏航轴承内圈下表面间距、偏航减速器与偏航轴承外圈齿隙、偏航轴承内圈轴向跳动值发生异常。

（4）A03#、A10#、B05#机组偏航系统余压偏小容易造成风机偏航的过程中不平稳。

1.3偏航轴承外观、基本尺寸测量

（1）A品牌三个轴承轴向游隙、径向游隙、内圈径跳、外圈径跳、内圈端跳、外圈端跳六项数据超标；B品牌轴承轴向游隙、内圈径跳、外圈端跳三项数据超标；从数据对比发现：A品牌承损伤更严重。

（2）从18年、19年的拆解情况看，轴承内润滑油脂量未达到厂家要求值，轴承存在缺油现象。

1.4偏航轴承拆解主要问题

（1）部分注油孔内存在异物—隔球器碎屑或铁屑；

（2）隔球器（除洛阳新能）有不同程度缺失、脆性碎裂，且缺失或碎裂具有连续性、区域性，隔球器具有改善轴承内部润滑条件，引导滚球运动，将滚球等距隔离开，均布在滚道的圆周上以防止工作时滚球间碰撞和摩擦，所以隔球器的缺失会造成：

①隔球器缺失导致滚球间相互碰撞和摩擦，造成滚球不同程度的划痕；

②隔球器缺失或破损产生的碎屑经过研磨混入润滑油脂内，影响了润滑脂特性。部分隔球器碎屑堵塞了注油孔，加剧了润滑不良；

③隔球器的缺失使滚球在滚道内分布不均，滚球过于分散的滚道位置受载超过了材料的屈服极限而产生压痕，及产生塑性变形。

（3）滚道损伤最严重的是外圈滚道的下表面, 其次为内圈滚道的上表面；再次为内圈滚道下表面和外圈滚道上表面。

外圈滚道的下表面出现较大面积和区域的硬化层剥落,剥落后的表面呈凹凸不平的鳞状，具备疲劳剥落的形状特征。其中洛阳新能轴承剥落区域远小于成都天马轴承剥落区域。

（4）从拆解情况看轴承的失效包括疲劳失效、磨粒磨损和塑性变形，其中主要原因是疲劳失效,造成疲劳失效的原因可能是由于材质疲劳、热处理不当、偏载、冲击。

（5）滚球碎裂：滚球的破裂是滚道剥落与隔球器缺失所致。

分析：隔球器具有改善轴承内部润滑条件，引导滚球运动，其缺失使滚球间相互磨损碰撞，造成滚道划伤、凹坑，在润滑不良且滚道严重损伤的情况下，损伤的滚球极易发生卡滞而破裂。根据多台机位的拆解情况，基本可以排除滚球自身质量问题。

1.5设计核算

偏航轴承所承受最大径向力Fr为188.7kN大于设计值114.3kN；轴向力Fa为1110.5kN小于设计值1161.5kN；最大倾覆力矩3325kNm小于设计值5775.8kNm，因数据所限需要厂家对径向力Fr重新核算。

1.6理化分析主要问题及分析

（1）失效轴承均存在一定的材质不良，表现在化学成分、淬硬层深度和基体硬度。

（2）化学成分：Cr元素在调制钢中主要作用提高淬透性，从而提高材料硬度和耐磨性；Mn元素可以提高淬透性，提高材料强度和硬度；Cr Mn元素含量偏低，会造成淬硬层深度偏低。

（3）钢球规格Dw=50.8mm，依据“《GB/T29717-2013 滚动轴承 风力发电机组偏航、变桨轴承》7.1.1.5条款”淬硬层深度要≥5mm，合格的淬硬层深度是偏航轴承滚道不产生剥落的保证。对比两个厂家的测试数据：B品牌轴承淬硬层深度合格、A品牌轴承多组数据不合格，和拆解情况相吻合，洛阳新能轴承滚道剥落区域远小于成都天马轴承滚道剥落区域。

（4）基体组织应属于回火索氏体，基体硬度偏低材料容易产生变形。

1.7综合分析

          偏航闸钳本体边缘与刹车盘上表面距离间隙、偏航减速器间隙、偏航轴承轴向跳动超标，其中A03#机位偏航刹车闸钳本体与刹车盘干涉接触，导致机组无法偏航，是此次事件的起因。

（1）偏航闸钳与刹车盘干涉直接原因：偏航轴承滚道塑性变形，导致了机舱随偏航轴承内圈整体下沉。刹车盘固定在轴承外圈（轴承外圈与塔筒相连），轴承外圈未发生形变。闸钳随机舱下沉导致与刹车盘间隙减小，最终干涉。

（2）轴承滚道塑性变形原因：隔球器因碎裂缺失，导致滚子不再均匀分布在整个滚道内，部分位置滚子集中、部分位置滚子空缺。滚子空缺的部位，失去滚子的支撑，在载荷的作用下导致滚道塑性变形。

（3）隔球器碎裂缺失的原因：①滚道磨损的金属颗粒、碎块导致隔球器卡死，卡死的隔球器受到后方滚子的撞击，导致损伤碎裂，碎块混在油脂内经进一步磨损而消失。②隔球器已是成品无法进行相应材质试验且厂家未提供质量文件排除隔球器质量问题。

（4）滚道损伤的原因

从拆解的的轴承发现：滚道损伤最严重的是外圈滚道的下表面, 其次为内圈滚道的上表面；再次为内圈滚道下表面和外圈滚道上表面。

外圈滚道的下表面出现较大面积和区域的硬化层剥落,剥落后的表面呈凹凸不平的鳞状，具备疲劳剥落的形状特征，造成疲劳失效的原因可能是由于材质疲劳、热处理不当、偏载、冲击。

外齿式单排四点接触球轴承，在机组偏航时受力部位位于外圈滚道下表面、内圈滚道上表面，如下图所示。据此可以判断外圈滚道上表面、内圈滚道下表面的损伤属于次生伤害。重点分析外圈滚道下表面、内圈滚道上表面的损伤。

图1：偏航轴承示意图

结合拆解情况、测试数据以及两家轴承的横向对比，对外圈滚道下表面、内圈滚道上表面剥落原因分析：

a)  轴承材质不良（Mn、Cr含量、淬硬层深度、基体硬度），是造成滚道剥落的主要原因：①Cr元素在调制钢中主要作用提高淬透性，从而提高材料硬度和耐磨性，该元素含量偏低，会造成淬硬层深度偏低；Mn元素可以提高淬透性，提高材料强度和硬度。②合格的淬硬层深度是偏航轴承滚道不产生剥落的保证。③基体硬度偏低材料容易产生变形。

b)润滑不良是造成滚道剥落的次要原因：轴承润滑不良滚子和滚道之间不能很好的形成油膜，增大摩擦和磨损，降低疲劳寿命。同时磨损的金属颗粒、隔球器颗粒进入油脂，恶化油脂性能，进一步造成润滑不良，形成恶性循环。从18、19年的拆解情况看，轴承在运行中存在一段时期的润滑不良情况。

润滑不良的原因

密封圈失效: 密封圈失效造成润滑油脂大量泄漏，在注油量不变的情况下，随着时间的推移轴承滑道内润滑油脂不足。

润滑油管未平均分布，容易导致轴承滑道润滑油脂分布不均，增大了油脂前往相距注油孔较远位置的阻力。

偏航轴承没有设计专门排油口，废油无法正常排出。

目前的加油控制策略能否保证轴承内有足够的油脂，不排除该方面原因。

c)  偏航轴承所承受最大径向力Fr为188.7kN大于设计值114.3kN，不排除设计选型问题，因数据所限需要厂家对径向力Fr重新核算。

2. 检验结论

（1）偏航闸钳与刹车盘干涉直接原因：偏航轴承滚道塑性变形，导致了机舱随偏航轴承内圈整体下沉。

（2）轴承材质不良（Mn、Cr含量、淬硬层深度、基体硬度），是造成本次轴承失效的主要原因。

（3）润滑不良是造成本次轴承失效的次要原因，润滑不良加剧、加速了轴承失效。

（4）偏航轴承所承受最大径向力Fr为188.7kN大于设计值114.3kN，不排除设计选型问题，因数据所限需要厂家对径向力Fr重新核算。

3. 合理化建议

（1）定期进行偏航轴承润滑油脂检验，建立油脂档案。

（2）刹车盘与偏航轴承内圈下表面间距测量、偏航减速器与偏航轴承外圈齿隙测量、偏航轴承内圈轴向跳动测量并做好记录（建议做好机头标记每次测量保证机头处于同一位置），通过对比历史数据判断轴承有无劣化的趋势。

（3）根据油脂检查结果，对异常机组的偏航轴承，可以采取清理废油、更换新油的方式进行处理，以期减缓轴承的失效过程。

（4）密封圈容易因老化而造成弹性失效，进而引发密封圈漏油。建议主机厂家优化维护手册，增加密封圈检查内容及密封圈更换周期。现场做好密封圈漏油排查工作，更换漏油严重的轴承密封圈。

（5）定期检查液压系统压力、偏航余压，调整余压至20bar～30bar。

（6）启用偏航轴承自动润滑系统油位信号、油管堵塞信号，实时监测自动测润滑系统注油情况。

（7）日常维护：①拆开油嘴接头，检查管路能否正常出脂；②使用细螺丝刀捅入注油孔，查看油孔是否堵塞（插入深度大于60mm，表示注油孔通畅）；③做好每台机组的加油脂记录：时间、数量；④检查轴承异响；⑤检查密封圈渗漏。

（8）B05#、A10#偏航轴承外圈软带装配在主风向位置，外圈软带位置发生严重剥落，建议偏航轴承外圈装配避开主风向位置。

（9）轴承厂家、主机厂、风电场等单位建立健全过程控制、质量控制、文档管理工作，确保质量可追溯性。

受风某电厂的委托，在某风电场5台1.5MW机组中选取两台较严重的A品牌（A03#、A10#）轴承机组及相对问题较小的B品牌轴承机组（B05#）进行偏航轴承进行失效分析。