双馈式风电机组发电机轴承故障浅析

2 风电机组发电机轴承失效因素
在各种机械设备的零件中，轴承是最重 要的部分，轴承失效可能是由很多因素造 成，如：超过预期负荷、润滑不当、运输和 停机时的不当处置、电腐蚀、安装拆卸造成 损坏、轴承内部的污染、密封失效、轴和轴 承室公差配合不当等。每个因素都会造成不 同的损害，同时会在轴承里留下他们自己特 有的痕迹。一般来讲轴承的失效有 1/3 是由 于轴承已经到了疲劳剥落期；1/3 因为润滑
在运输过程中，如果发电机的转子轴 固定不良，振动发生在轴承的游隙之中， 这些都有可能损坏轴承；同样，如果发电 机处于停机状态，经过一段时间的振动也 会导致轴承损伤。因为在发电机静止时， 轴承内部相互接触的部件之间没有润滑剂 来形成油膜，进而产生滚动体和滚道之间 的金属直接接触。如果再引入外界的振动 （比如，偏航时的振动），这个振动就会使 滚动体相对滚道发生非常微小的位移，在 这样的位移情况下金属之间微小的冷焊点 和磨损会使滚道产生损坏，出现微动磨损； 同时受气温变化形成的冷凝水、海风中的 盐分、酸雨和腐蚀性气体等的腐蚀，使遭 受的微动磨损中伴随有微动腐蚀，加剧了 轴承的微动磨损。这样的损坏通常发生于 滚子等间距的地方，呈现颜色的变化或者 光泽的变化。这种损坏就是所谓的“伪布 氏压痕”。在微动反复作用下，裂纹扩展并 最终形成剥落。
该风电场在 2007 年投产 67 台，2008 年投产 100 台，2010 年投产 66 台，共 233 台，装机容量为 35 万千瓦。为了准确诊断 轴承故障，利用振动监测和现场检测等手 段把轴承状态分成“正常”、“注意”和“报 警”三个等级。“正常”表示机组可照常运 行；“注意”表示有较明显的故障特征，但 是故障处于早期或者中期，机组可以继续 运行，应加强日常监控、检查和维护，发 现异常及时处理；“报警”表示机组故障严 重，必须停机检修。每年对发电机轴承状 态进行诊断，2011 诊断结果如表 1 所示。
LIU Ruihua XU jia HU Peng LI Wei
LongYuan (Beijing) Wind Power Engineering Technology Co. LTD. TheБайду номын сангаас6th -9, North Avenue Fuchengmen Xicheng District, Beijing,China. 100034
ABSTRACT: Due to the importance of the bearing to generator,the failure form of bearing is a hot topic of research nowadays. In the wind power industry, with the introduction of inverter technology, the failure form of bearing of doubly-fed wind turbine generator becomes diversity. According to the theory of bearing failure, this paper summarized three factors of the double-fed asynchronous generator bearing failure form: electric corrosion, wear and poor lubrication,statisticed and analyzed the bearing damage of generatorof in a big wind farm in last five years by vibration monitoring and on-site detection techniques. This paper found that electric corrosion is the commonest failure form, and puts forward a method to discern and treatment the bearing failure and a effective measures to prevent bearing failure.
发电机轴承通常是开放式的深沟球轴 承，由外界的迷宫式密封保护轴承，即便 如此，仍然存在着污染物进入轴承的风险。 污染的最普遍来源包括：润滑不足 (比如， 干燥的优质颗粒 )产生的污染，损坏的密 封件，环境污染颗粒以及由于安装和更换 轴承座操作不当引起的污染等。这些污染 颗粒经过滚动体的滚压就会在轴承的滚道 上导致疲劳形成散裂。[4]
KEY WORD: wind turbine；bearing failure；electric corrosion；fretting wear
摘要：轴承，作为发电机的重要零部件，其失效形 式一直为研究热点。在风力发电行业中，随着变频 技术的引入，双馈式风电机组发电机的轴承失效形 式也变得多样性。本文根据轴承失效理论，总结了 双馈异步发电机轴承失效的三种因素：电腐蚀、磨 损及润滑不良。在此基础之上，利用振动监测及现 场检测等技术手段对国内某大型风电场五年来发电 机轴承的损坏情况进行统计分析，发现电腐蚀最为 普遍，并提出了轴承故障的判别及处理方法，也为
因此，在运转中的轴承，为了保证它 在良好的条件下长期运行，尽量在故障初 期就发现问题、处理问题；平时要重点检 查轴承的滚动声、振动、温度和润滑脂。
3.2 某风场双馈式风电机组发电机轴承故障 情况
某风电场位于黄海岸边，盐雾腐蚀性 比较严重，年平均风速为 6.2m/s 左右。风 电场选用某进口双馈式风电机组，发电机 为绕组式双馈异步发电机，其前后采用宽 游隙的深沟球轴承（SKF 6300/C3），前端 为定位轴承，后端为游动轴承。发电机轴 承日常不进行维护，只在半年维护的时候 向发电机前后轴承各加注 200 克润滑脂， 一年维护的时候各加注 400 克润滑脂。
不良导致提起失效；1/3 因为污染物进入轴 承或安装不正确导致轴承提前失效。[2]通过 对应用实例和轴承失效理论的研究发现，风 电机组发电机中的轴承失效都直接或者间 接的与过电流、磨损和润滑有关。
2.1 轴承电腐蚀失效
在变频器供电的双馈异步发电机中， 电流流过轴承的问题十分常见，这种现象 就是所谓的电腐蚀。而轴承过电流的主要 原因有三种：（1）静电放电；（2）磁场不 对称；（3）共模电压及电压脉冲的快速切 换。 实 [3] 际中，轴承电腐蚀通常发生在电 流经由滚动体从一个滚道流到另一个滚道 的时候。电腐蚀对轴承的破坏程度取决于 放电能量和持续时间，但破坏效果基本相 似，包括：滚动体和滚道上的微小电蚀凹 坑、润滑迅速退化、失效第二阶段的搓板 纹及相应的轴承失效等。因为放电时产生 的热量会使轴承材料表面融溶，产生凹坑， 同时金属的融屑会发生转移，脱离原来的 位置。电蚀凹坑表面的金属会被再硬化， 变得比之前的轴承材料更脆。再硬化层下 面是一层退火层，这部分的材料比周围软。 受损伤的轴承表面看起来发暗，其特征是 有很多融溶的小坑。这些微小的凹坑遍布 于滚动体表面和滚道之上，凹坑的尺寸很 小，不论在内圈、外圈或者滚动体上，它 的直径通常有只有 5～8μm。随着时间的 推移，电腐蚀最终的失效表现就是轴承内 外圈呈现明显的搓板纹。
2.3 轴承润滑失效
轴承稳定运行达到使用寿命的一个重 要条件就是有足够的润滑。润滑剂的作用 就是形成保护性油膜，分隔滚动接触表面， 防止金属与金属的直接接触。润滑剂还应 有保护相应部件不受腐蚀的作用。当使用 润滑脂作为润滑剂时，它的功能需要有某 些拓展，诸如：保护轴承不受固体颗粒、 灰尘和水的污染等。油脂有一些重要的性 能，包括：黏度、油膜形成能力和密度等。 对油膜厚度最重要的影响因素就是轴承的 大小、转速、温度，负荷及基油黏度。要 获得润滑脂的某些特殊性能往往需要一些 添加剂，如：防锈添加剂可以防止金属生 锈及润滑脂的氧化。
3.1 风电机组发电机轴承故障诊断方法
最初的轴承故障诊断是利用听棒，靠 听觉来判断。这种方法至今仍在沿用，其 中的一部分已改进为电子听诊器，例如用 电子听诊器来检查、判断轴承的疲劳损伤。 训练有素的人员凭经验能诊断出刚刚发生 的疲劳剥落，有时甚至能辨别出损伤的位 置，但毕竟影响因素较多，可靠性较差。 继听棒、电子听诊器之后，在滚动轴承的 状态监测与故障诊断工作中又引入了各种 测振仪，用振动位移、速度和加速度的均 方根值或峰值来判断轴承有无故障，这样 减少了监测人员对经验的依赖性，提高了 监测诊断的准确性，但仍很难在故障初期 及时做出诊断。
风电机组发电机被安装在世界各地， 经受不同的气候环境，也要适应不同的环 境变化。风电机组发电机中的润滑脂要适 应这些变化。有时在特定的工作环境 (例 如温度 )下的参数非常难以准确预知，导 致了由于润滑脂选型不当造成的润滑表现 不良。同样不足量的润滑会导致金属表面 疲劳和磨损，从而减小轴承的寿命。如果 滚动体和滚道之间的润滑膜太薄，金属表 面就不会被充分隔离，就会发生金属和金 属的直接接触。这样的情况可能是由污染、 润滑不足等情况造成的。
表 1 2011 年轴承状态诊断结果 Tab.1 2011, the diagnosis of bearing state
投产 2007 状态
正常
30
注意
32
报警
5
2008
45 53 2
2010
45 21 0
合计
120 106 7
根据诊断结果对报警机组的发电机轴 承进行维护，5 年间共更换了 17 个发电机 轴承。具体情况如表 2 所示。
此外，电流放电同样导致轴承内部润滑 的变性，并且迅速退化。高温使润滑剂中的 添加剂和基油发生反应，导致基油燃烧和碳 化，添加剂将会被快速用尽。因此润滑剂就 会变得更硬甚至变黑，不能满足润滑的要 求。润滑剂的迅速失效也是过电流导致失效 的一个典型模式。
2.2 轴承磨损失效
通常情况下，轴承内部的磨损很少。 当外界颗粒污染进入轴承或润滑不足时， 便会导致磨损的发生。停机时，轴承的震 动也可能导致磨损。风电机组发电机的设 计要求不仅要适应运行时的恶劣环境，同 时还要适应故障时的停机工况。