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风电机组轴承磨损油液监测技术的应用探讨

2020-06-04 291 上传者：管理员

摘要：轴承作为风电机组中的关键性、精密型机械部件，在运行过程中易产生磨损，其可靠性直接关系到风电机组的安全稳定运行，因此对其磨损状态进行监测是必要的。通过实例对几种典型的风电机组轴承磨损油液监测技术进行了探索，证实了这些技术的可行性和有效性，对预警滚动轴承磨损和预防设备事故有重要的意义。

关键词：
工业技术
油液监测
轴承磨损
风电机组
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轴承是机械设备中的一种重要零部件，其主要功能是支撑机械旋转体，以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。滚动轴承是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件，是风电机组中最典型的轴承类型，一般由内圈、外圈、滚动体和保持架4部分组成。

为了使轴承更好地发挥其性能，减少运行时的摩擦及磨损，要选择适合其使用条件、使用目的的润滑方式，滚动轴承的润滑一般采用油润滑或脂润滑。在高速、轻载条件下多用油润滑，在中低速、重载、摩擦较大、中等温度等条件下则多用脂润滑。然而，即使采用了合理的润滑方式，滚动轴承在长时间运行后还会或多或少产生磨损，而磨损的严重程度直接关系到设备的安全可靠运行。因此，对滚动轴承的磨损状态进行必要的监测是提前预警轴承磨损、保障设备安全可靠运行的一项重要内容。

1、风电机组轴承概况

轴承是风电机组中的精密部件，也是易发生故障的薄弱部位。表1为风电机组中常见的各种轴承的应用部位、轴承类型、工况要求及润滑方式[1,2]。

2、风电机组轴承磨损监测原理

对于风电机组上中高速运转的滚动轴承，目前可采用振动监测、温度监测等技术手段进行监测；但对于低速运转的滚动轴承，尚无有效的监测手段。而油液监测则提供了一种可行的技术途径，其原理为：当滚动体、保持架、内圈、外圈相互间发生摩擦磨损时，磨损颗粒会被裹挟到相应润滑部位的润滑油或润滑脂中，通过监测在用润滑油、润滑脂中的磨损颗粒含量，可以间接推断出轴承的磨损程度。

表1 风电机组常见轴承的分类工况要求及润滑方式

在评估设备磨损时，磨损元素含量、PQ指数、铁谱分析是常见的监测指标，其对应的监测部位、磨损类型等如表2所示。

表2 评估设备磨损的主要监测指标及特点

3、风电机组轴承磨损监测实例

风电机组轴承磨损在日常运维中较为常见，下面对典型的实例进行分类说明。

3.1 齿轮箱轴承磨损案例

风电机组齿轮箱是连接机组主轴与发电机的传动部件，其主要功能是将主轴的低速运转输入，转化成中速或高速发电机所需的输出，是风力发电机中的重要部件之一，一般采用油润滑。当前，油液监测技术已经在国内风电齿轮箱状态监测领域得到了广泛的应用。A时间段内对一台风电机组齿轮油进行3次取样监测，结果如图1所示。

图1 机组齿轮油监测结果

第1次监测中，Fe元素含量、PQ指数（本文中PQ指数均由Kittiwake ANALEX pq M型铁谱仪测定）均正常，Cu元素含量为10 mg/kg左右，怀疑铜制元件有磨损。在随后的第2次、第3次监测中，Fe元素、Cu元素含量均有上升趋势，且Cu元素含量上升较快，PQ指数上升不明显。另外，在第3次监测中，对齿轮油做铁谱分析可见大量Cu颗粒和少量Fe颗粒，拆解后发现高速轴轴承保持架磨损严重，且滚子有明显划伤，如图2所示。

图2 机组齿轮油铁谱分析图及轴承拆解图

3.2 主轴轴承磨损案例

风电机组的主轴是连接风轮与齿轮箱的重要传动部件，其主要作用是传递来自轮毂的力和扭矩，对于脂润滑的轴承，目前国内对其进行磨损监测的较少。对轴承进行磨损监测时，先从排脂口或密封间隙处取少量在用润滑脂，测定单位质量样品的PQ指数并做铁谱分析[3]。同时段内对一风电场1#～20#同型机组主轴轴承在用润滑脂进行取样，监测结果如图3所示。其中，4#机组主轴轴承润滑脂的磨损量为10 620 PQ/g，显著高于其他机组。

图3 风电场20台机组主轴轴承润滑脂磨损量监测结果

对润滑脂做铁谱分析时，可用甲苯（C7H8）、四氯乙烯（C2Cl4）等溶剂将润滑脂中的皂基洗除，然后将留存的磨损颗粒沉积在铁谱片上。4#机组主轴轴承润滑脂铁谱分析图及轴承检查图如图4所示。4#机组主轴轴承铁谱分析结果显示，有大量直径在200μm以上的剥落Fe颗粒，磨损严重。

图4 风电场4#机组主轴轴承润滑脂铁谱分析图及轴承检查图

经与现场核实，同等功率下该机组主轴温度较其他机组偏高，检查后发现其多个滚子磨损严重，有肉眼可见的深度凹陷。

3.3 发电机轴承磨损案例

风电机组发电机轴承分为前轴承和后轴承，前轴承通过联轴器与齿轮箱高速轴相连，若其发生故障，则极易导致齿轮箱高速轴异常磨损[4]。目前，国内多个机构利用振动监测技术对此类故障进行预警，取得了较好的效果[5]。

在2017年和2018年对某机组发电机前轴承温度和磨损量进行监测，监测时段内风电机组均在额定功率下运行，样品为每次定检加新脂时排出的旧脂。2018年8月，现场监测发现发电机前轴承温度异常升高，由正常的60℃左右升高至76℃；取润滑脂样品检测后发现其磨损量同步升高，且层状磨粒的粒径在200μm以上，推断其发电机前轴承磨损异常，检查后发现其轴承有明显剥落磨损。机组发电机前轴承温度及磨损量监测结果如图5所示，机组发电机前轴承润滑脂铁谱分析图及轴承检查图如图6所示。

图5 机组发电机前轴承温度及磨损量监测结果

图6 机组发电机前轴承润滑脂铁谱分析图及轴承检查图

3.4 偏航轴承磨损案例

偏航轴承安装在塔架与机舱的连接部，要承受不定风力所产生的冲击载荷，具有间歇工作、启停频繁、传递扭矩大的特点，因此，偏航轴承要求小游隙。

在2017年和2018年对一机组偏航轴承磨损量进行监测，监测时段内风电机组均在额定功率下运行，样品为每次定检时集油瓶收集的旧脂。2018年8月，取润滑脂样品监测后发现其磨损量异常升高，推断发电机前轴承可能存在异常磨损。现场检查后发现机组偏航时有异响，其中一台偏航电机齿轮有断齿，偏航轴承密封不严，部分断齿的剥落颗粒已进入偏航轴承中。机组偏航轴承磨损量监测结果如图7所示，机组偏航轴承检查图如图8所示。

图7 机组偏航轴承磨损量监测结果

图8 机组偏航轴承检查图

3.5 变桨轴承磨损案例

风电机组的变桨系统是安装在风机轮毂内作为空气制动或通过改变叶片角度对机组运行进行功率控制的装置，是风电机组重要的控制和保护装置，每台风电机组的变桨轴承有3套，均安装在每个叶片的根部并与轮毂连接。变桨轴承与偏航轴承相比，由于承受的冲击载荷更大，由叶片传递的振动也大，因此要求为零游隙或负游隙，以减小滚动工作面的微动磨损。同时段内对风电场1#～20#共20套同型机组变桨轴承在用润滑脂进行取样，监测结果如图9所示。监测结果显示，7#变桨轴承润滑脂的磨损量为8 496 PQ/g，显著高于其他机组，其铁谱分析结果中发现大量直径在100μm以上的剥落Fe颗粒和层状Fe颗粒（见图10），磨损严重。拆解后发现轴承滚道磨损严重，有大块的剥落。

4、结语

通过对风电机组关键传动部位滚动轴承所用润滑油和润滑脂进行油液监测，并重点关注Fe、Cu元素和Fe颗粒含量等磨损类指标，验证了油液监测技术在风电机组滚动轴承磨损监测中的有效性，为提前预警设备轴承磨损类故障提供了一条可行的技术途径。

图9 风电场20套变桨轴承润滑脂磨损量监测结果

图10 风电场7#变桨轴承润滑脂铁谱分析图及轴承拆解图

参考文献：

[1]冯琴,张先鸣.风电机组中的风电轴承[J].电气制造,2011(11):69-71.

[2]陈龙,杜宏武,武建柯,等.风力发电机用轴承概述[J].轴承,2018(12):45-50.

[3]梁培沛,加静静,杨策,等.一种脂润滑的滚动轴承磨损状态监测装置:中国,CN 208505845 U[P].2019-02-15.

[4]刘瑞华,胥佳,胡鹏,等.双馈式风电机组发电机轴承故障浅析[J].风力发电,2013(4):24-28.

[5]张巍,秦玉志,崔瑞.双馈式风力发电机组发电机滚动轴承状态监测及故障诊断方法探究[J].吉林电力,2015(6):16-18.

梁培沛,肖剑.风电机组轴承磨损的油液监测技术研究与应用[J].能源与节能,2020(05):37-40.