風力發電機軸承早期失效的原因——過載還是欠載？

風力發電機及其組件經過精心設計可正常運行20年以上。根據行業標準DIN ISO281的軸承額定壽命計算方法，滾子軸承的壽命與(C₁/P)^10/3成正比，其中C為軸承額定動載荷，P為工作載荷。基于風力發電機軸承的額定動載荷及其預期工作載荷，軸承應在預期使用壽命內具有高可靠性，但實際上風力發電機齒輪箱軸承往往會在2~11年內失效，主要由高速軸軸承、中速軸軸承和行星輪軸承造成。行星輪軸承失效成為主要問題，與可在塔樓上更換的高速軸和中速軸軸承不同，行星輪軸承的更換需使用起重機拆卸、運輸和場外維修齒輪箱。停機期間的收人損失和更換的直接成本大大增加了風力發電的成本，這對化石燃料的需求、CO₂排放和能源可持續性具有不利影響。

齒輪箱軸承早期失效不是由于使用的材料不當或設計與實踐結合不足，Musial 等人得出結論:對失效最可能的解釋是在設計過程中未考慮重要的載荷情況。由于行業標準假設載荷與壽命成反比，因此合理地假設軸承早期失效由難以預測、建模或檢測軸承過載所致。暴風、陣風、啟停瞬態、電網故障以及風切變對軸承載荷和可靠性均具有重大且不可預測的影響。

通過滑動、滾動或兩者組合可描述2個接觸體之間的摩擦學相對運動。可用滑滾比(SRR)表征滾動體位于從滾動到滑動頻譜的某處位置，純滾動和純滑動的SRR分別為0和2。滑動往往造成快速且不可預測的磨損，純滾動接觸的失效是滾動接觸疲勞的結果，可通過DINISO281進行預測。由于需要拖動力來維持滾動狀態，因此在低載荷下風力發電機用圓柱滾子軸承的SRR會增加。Kang等人的結果表明，當C₁/P由1增加到2000時，風力發電機用圓柱滾子軸承的SRR會增加一個數量級或更多。也就是說，當額定動載荷比工作載荷大幾個數量級時，滑動變得更加普遍。因此，為了防止過度打滑、磨損和不可預期的軸承壽命縮短，許多軸承制造商規定了最小額定載荷。

檢驗分析表明軸承失效主要是由于過度打滑和磨損造成的麻點、涂抹和白蝕剝落。Gould和Greco認為軸承反作用力不足以提供滾動所需的拖動力。潛在的因素是風速變化引起載荷的可變性，軸承設計時必須考慮軸承承受極端載荷的情況，這種情況顯然極少發生。在更常見的風速條件下，當載荷較低時，SRR增加，過度打滑增加了軸承表面損傷的風險。

Guo等人采用儀表傳動系統的直接測量結果表明行星傳動系統支承了由懸臂轉子重量、風切變、偏航及其他潛在因素造成的大部分非扭矩載荷。使用齒輪箱可靠性協作(GRC)標準齒輪箱的機械動力學模型表明非扭矩載荷向行星傳動系統的傳遞主要與行星架圓柱軸承的游隙有關。Guo等人以及Gould和Burris 的獨立分析表明在行星架運轉的不同階段,行星傳動系統的非扭矩載荷分配同時增加或減少了行星輪軸承反作用力。行星傳動系統分配的非扭矩載荷進一步降低了正常風況下已經很小的工作載荷。常見的瞬態事件(如電網故障和陣風)可能使滾動體突然打滑，欠載導致軸承極易損傷。根據先前的研究，推測風力發電機齒輪箱軸承會由于過載、欠載過度打滑或兩者結合而發生失效。盡管許多論文的主題強調風力發電機齒輪箱軸承多數由于過載而失效但通過對失效軸承進行現場檢驗分析表明,欠載對于行星輪軸承可能更加不利。本文旨在闡明行星傳動系統的實際非扭矩載荷分配如何影響行星輪軸承載荷，特別是在過載和.欠載的工況下以及其如何導致行星輪軸承早期失效。

結論與建議

作者研究分析了在實際風況下，典型的風力發電機中GRC標準齒輪箱的行星輪軸承載荷的可能范圍。結果表明，無論風速如何，行星傳動系統的非扭矩載荷分配都會增加每個轉子周期內行星輪軸承反作用力的最大值，并減小反作用力的最小值。在沒有行星傳動系統非扭矩載荷分配的情況下，行星輪軸承過載僅在風速為13.5 ~ 14.5 m/s下發生，欠載在風速為4 ~5 m/s下發生。通過懸臂轉子重量的實際行星傳動系統載荷分配，過載下風速擴展到12 ~19 m/s,欠載下風速擴展到4~7 m/s。根據來自美國10個風場已發布風譜的分析，即使考慮到實際的非扭矩載荷分配，最壞情況下行星輪軸承的疲勞壽命至少為42年。10個風場的行星輪軸承平均疲勞壽命為277年。在這相同的10個風場中，預計行星輪軸承每個周期內有40% ~ 70%(平均61% )的時間欠載。在欠載工況下，軸承可能失去拖動力，造成打滑以致軸承表面損傷，涂抹并最終在不可預知的時間失效。此外，打滑過程中發生的表面損傷會縮短疲勞壽命并加速疲勞失效。結果強調需要同時考慮軸承欠載和過載作為行星輪軸承早期失效的重要因素。盡管為減輕打滑，可增加齒輪箱的額定載荷，但這種變化會加劇軸承欠載的發生概率，甚至可能縮短齒輪箱使用壽命。

可能延長軸承使用壽命的方法有:

1)通過對圓錐滾子軸承施加預載來消除行星輪軸承欠載;

2)通過減小或消除行星架軸承游隙來減小非扭矩載荷分配;

3)通過改變動力傳動系統的幾何形狀(例如較小的齒圈、較長的轉子、較短的輪轂)來減小相對于扭矩載荷的非扭矩載荷。

（來源：《Tribology Transactions》）

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