2017年3月7日，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組軸承突出的故障“軸承跑圈”問(wèn)題，中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)名譽(yù)主任賀德馨先生邀請(qǐng)了幾位目前已經(jīng)退休，與企業(yè)沒(méi)有直接利益關(guān)系的風(fēng)電行業(yè)的老技術(shù)專(zhuān)家，在中國(guó)船級(jí)社認(rèn)證公司召開(kāi)風(fēng)電軸承“跑圈”故障研討會(huì)。出席此次研討會(huì)的資深專(zhuān)家還有：風(fēng)能協(xié)會(huì)資深委員姚小芹、華能新能源公司原副總工程師王斯永、杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司原總工程師宣安光、南京高速齒輪箱集團(tuán)公司原副總工程師郭寶霖、中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)顧問(wèn)、原西北軸承公司總工程師何加群、河南科技大學(xué)教授葉軍等。在結(jié)合專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)討論及后期資料整理的基礎(chǔ)上形成了該報(bào)告，現(xiàn)對(duì)外發(fā)布。

與會(huì)專(zhuān)家一致通過(guò)成立“風(fēng)電技術(shù)·專(zhuān)家研討”平臺(tái)，該平臺(tái)是一個(gè)非盈利的風(fēng)電技術(shù)研討公共平臺(tái)，常設(shè)在中國(guó)船級(jí)社認(rèn)證公司，會(huì)議推選王斯永為“風(fēng)電技術(shù)·專(zhuān)家研討”主任委員，姚小芹為副主任委員，秘書(shū)處設(shè)在中國(guó)船級(jí)社認(rèn)證公司，聯(lián)絡(luò)人為陳鴻雁。今后將定期召開(kāi)技術(shù)研討會(huì)，聚焦風(fēng)電行業(yè)高發(fā)故障，并形成成果報(bào)告，供風(fēng)電行業(yè)內(nèi)各有關(guān)方面和政府決策機(jī)關(guān)參考。

一、軸承“跑圈”問(wèn)題的現(xiàn)狀

所謂軸承“跑圈”，就是軸承的外圈與軸承座或者內(nèi)圈與軸產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)。變速箱的行星齒輪發(fā)生跑圈，會(huì)對(duì)變速箱產(chǎn)生不可修復(fù)的損毀。

從2015年年初開(kāi)始，運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組逐漸暴露出變速箱軸承“跑圈”的問(wèn)題。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)我國(guó)裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的十萬(wàn)多臺(tái)機(jī)組中，發(fā)生“軸承跑圈”故障占10%以上，不僅是軸承應(yīng)用較多的雙饋電機(jī)型機(jī)組，就是主傳動(dòng)系統(tǒng)軸承較少的直驅(qū)機(jī)組也發(fā)生了類(lèi)似的故障，其總數(shù)也超過(guò)了1000臺(tái)。根據(jù)一個(gè)電力設(shè)備研究機(jī)構(gòu)的人員最近抽測(cè)一批在運(yùn)機(jī)組的結(jié)果，振動(dòng)頻譜顯示相當(dāng)高比例的機(jī)組存在跑圈的問(wèn)題（按照他們的說(shuō)法是幾乎百分之百）。國(guó)外廠商的部分機(jī)組也存在軸承跑圈問(wèn)題。從發(fā)現(xiàn)的軸承“跑圈”的總體情況看，變速箱高速端比例較高，行星齒輪軸承“跑圈”的比例較低。但是在個(gè)別幾個(gè)廠家的產(chǎn)品中，行星齒輪軸承“跑圈”的比例比較高，出現(xiàn)批量故障。

軸承跑圈造成的損失會(huì)大大提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維成本，對(duì)未來(lái)保險(xiǎn)公司保費(fèi)費(fèi)率也可能產(chǎn)生影響。

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)發(fā)生軸承跑圈的整機(jī)廠家、開(kāi)發(fā)商、保險(xiǎn)公司并不了解這個(gè)情況，故障都是由變速箱廠自己處理，并未如實(shí)告訴客戶變速箱損毀的原因。這種情況，導(dǎo)致這種高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的故障成為風(fēng)電運(yùn)行和保險(xiǎn)行業(yè)巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于變速箱高速端軸承“跑圈”故障的處理多數(shù)是在故障發(fā)現(xiàn)后，采用鑲套或使用聚合物粘結(jié)劑的方法解決。這兩種方法在地面設(shè)備上有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)于風(fēng)電機(jī)組變速箱高速端軸承，是否可以保證修復(fù)后長(zhǎng)期使用，目前尚無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于行星齒輪軸承“跑圈”，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有提前發(fā)現(xiàn)“跑圈”故障的成熟技術(shù)，而且由于機(jī)組形式和運(yùn)行環(huán)境的差異導(dǎo)致軸承“跑圈”的頻譜的差異，因此絕大多數(shù)行星齒輪軸承“跑圈”故障是在變速箱損毀后確認(rèn)的。

對(duì)于直驅(qū)機(jī)組主軸承跑圈，在軸承未發(fā)現(xiàn)明顯損傷的情況下，采取再調(diào)整軸承游隙的辦法處理；若軸承損傷，則更換主軸承。

二、軸承“跑圈”問(wèn)題的分析

究其根本是由于軸承選型不當(dāng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和載荷設(shè)計(jì)不當(dāng)、制造過(guò)程中工藝控制不當(dāng)、軸承游隙調(diào)整不當(dāng)、軸承潤(rùn)滑不當(dāng)、設(shè)備儲(chǔ)存或運(yùn)輸不當(dāng)?shù)仍颍沟幂S承滾子和軸承滾道發(fā)生比較嚴(yán)重的滑動(dòng)半干摩擦，最終導(dǎo)致軸承“跑圈”。

1. 主軸軸承

（1）采用雙列調(diào)心滾子軸承的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的主軸軸承，同時(shí)承受軸向及徑向的載荷，失效的概率較高。這是由于雙列調(diào)心滾子軸承的游隙較大，上風(fēng)向側(cè)的軸承承受載荷很小，大部分徑向載荷和軸向力由下風(fēng)向軸承承受，造成滾子過(guò)多的打滑，加上潤(rùn)滑不良使材料發(fā)生從點(diǎn)蝕到粘附剝落，座圈和滾子以及保持架受力不均發(fā)生變形，改變了座圈與軸承座的配合，出現(xiàn)“跑圈”、卡死等常見(jiàn)故障。

（2）新的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主軸軸承已很少選用調(diào)心軸承，推薦選用圓錐滾子軸承，徑向和軸向承載能力強(qiáng)，可通過(guò)預(yù)緊使?jié)L子均勻受載，滾子不易產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦。但是，由于安裝工藝對(duì)裝配工人的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求比較高，軸承游隙調(diào)整不當(dāng)依然可以引發(fā)半干滾動(dòng)摩擦，繼而出現(xiàn)跑圈故障。

（3）軸承裝配采用熱裝法。由于沒(méi)有足夠尺寸加熱裝置，而采用局部加熱法，加熱不均勻，造成軸承變形。

（4）運(yùn)輸過(guò)程中機(jī)組減震措施不當(dāng)，或軸承某一部分長(zhǎng)時(shí)間承重，造成滾道局部變形。

（5）目前在運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組主軸軸承的潤(rùn)滑方式主要有兩種：潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑及壓力潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，其中使用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑比例較高。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速一般在10-20轉(zhuǎn)/分，低轉(zhuǎn)速導(dǎo)致主軸軸承和行星架支撐軸承的油膜形成往往比較難。若油膜厚度不足以隔開(kāi)兩個(gè)金屬表面，則潤(rùn)滑沒(méi)有達(dá)到預(yù)定的效果，軸承就會(huì)發(fā)生早期磨損，產(chǎn)生材料剝落的損傷，發(fā)生半干滑動(dòng)摩擦，繼而導(dǎo)致軸承跑圈。壓力潤(rùn)滑方式對(duì)改善軸承的工作條件十分有利，除了及時(shí)形成油膜保護(hù)滾道滾子之外，還能帶走熱量和磨粒，延長(zhǎng)使用壽命。推薦有條件的情況下，主軸軸承也使用壓力油潤(rùn)滑。

2. 變速箱軸承

變速箱中高速軸側(cè)軸承發(fā)生跑圈的比例高于行星輪軸承。兩者發(fā)生的原因是不同的。

高速軸側(cè)軸承

（1）軸承與軸承座的配合公差選擇不合理，導(dǎo)致過(guò)盈量不足。由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的外部環(huán)境差別很大，選用標(biāo)準(zhǔn)公差帶很可能不能適應(yīng)運(yùn)行條件。

（2）裝配時(shí)工藝控制不嚴(yán)格，造成軸承與軸承座的極限上偏差與極限下偏差的配合。在裝配現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)裝配工選擇過(guò)盈量小的軸承進(jìn)行配裝的現(xiàn)象。

行星輪軸承

（1）風(fēng)電機(jī)組變速箱實(shí)際使用時(shí)的最大功率可能達(dá)到名義功率的3倍以上，特別是增長(zhǎng)葉片情況下，風(fēng)輪慣性矩大大增加，在機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中對(duì)傳動(dòng)系造成的沖擊載荷也極大增加。國(guó)內(nèi)機(jī)組在原型機(jī)基礎(chǔ)上增長(zhǎng)葉片后，并未對(duì)變速箱進(jìn)行相應(yīng)的再設(shè)計(jì)，造成剛度相對(duì)較差的變速箱行星軸系和中間軸系出現(xiàn)偏載的情況，偏載則加劇軸承應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)軸承跑圈。

（2）行星輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)薄弱。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19073 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱中規(guī)定：行星齒輪輪轂厚度應(yīng)不小于3倍模數(shù)，是為了保證齒輪座圈具有足夠的剛度抵抗齒輪受力產(chǎn)生的變形。而行星齒輪的變形是軸承跑圈的重要原因之一。國(guó)內(nèi)變速箱廠批量的行星齒輪軸承跑圈故障發(fā)生，恰恰是設(shè)計(jì)沒(méi)有滿足標(biāo)準(zhǔn)提出的齒輪輪轂厚度要求。

針對(duì)行星軸系偏載國(guó)外采用了浮動(dòng)行星變速機(jī)構(gòu)，以達(dá)到均載的目的。但是此類(lèi)結(jié)構(gòu)在變速箱裝配和調(diào)整時(shí)比較復(fù)雜。

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組空間限制導(dǎo)致行星齒輪結(jié)構(gòu)尺寸難以滿足剛性要求的現(xiàn)狀，國(guó)外提出行星齒輪與軸承外圈一體化的解決方案和鐵姆肯類(lèi)似的集成式柔性銷(xiāo)方案（見(jiàn)圖1）。國(guó)內(nèi)杭齒和南高齒分別采用一體化結(jié)構(gòu)和集成柔性銷(xiāo)結(jié)構(gòu)試制了幾臺(tái)變速箱。由于行星齒輪要根據(jù)加工工序分別在變速箱廠和軸承廠完成機(jī)械加工、熱處理和產(chǎn)品檢測(cè)，變速箱的成本大幅度提高。國(guó)內(nèi)風(fēng)電整機(jī)企業(yè)在目前的市場(chǎng)價(jià)格下，難以接受。而國(guó)外整機(jī)企業(yè)已經(jīng)批量采用此類(lèi)結(jié)構(gòu)的變速箱。

圖1 鐵姆肯集成式柔性銷(xiāo)組件

三、幾點(diǎn)建議

根據(jù)目前的現(xiàn)實(shí)情況提出幾點(diǎn)建議：

1.  從目前各方面反映的情況看，對(duì)于已經(jīng)投產(chǎn)在運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組如何在破壞性事故發(fā)生前及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承跑圈的先兆是當(dāng)務(wù)之急。這樣可以把事故消除在萌芽之中。但是，由于風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)不同，運(yùn)行環(huán)境不同，軸承位置不同，技術(shù)上尚未掌握各類(lèi)軸承跑圈的振動(dòng)特征譜。目前可以做的就是搜集已經(jīng)發(fā)生事故的風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄，組織專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行分析，盡快從中找出規(guī)律性的東西，然后在運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證、推廣。目前已經(jīng)有若干制造企業(yè)、開(kāi)發(fā)運(yùn)行企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)表示愿意參與，并提供驗(yàn)證條件。

2.  本報(bào)告前面的分析僅僅在以往的理論、經(jīng)驗(yàn)和可以得到的案例基礎(chǔ)上進(jìn)行的。對(duì)于當(dāng)前大量發(fā)生的事故尚未全面掌握。為了進(jìn)行事故分析，各變速箱制造廠不應(yīng)再以保守所謂“商業(yè)秘密”為借口，而拒絕公開(kāi)事故。這樣做的結(jié)果只能對(duì)我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)造成更深的傷害。只有行業(yè)內(nèi)全面地掌握事故真實(shí)情況，針對(duì)可能的原因深入分析，才能找出缺陷根源并采取行之有效的措施加以解決。同時(shí)，為掌握事故監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。建議各涉及類(lèi)似事故的企業(yè)應(yīng)如實(shí)向整機(jī)企業(yè)、開(kāi)發(fā)運(yùn)行企業(yè)以及研究機(jī)構(gòu)如實(shí)提供事故情況。

3.  軸承裝配時(shí)應(yīng)配備足夠的工裝器具，防止組裝中的隱形損壞。過(guò)盈配合的裝配最好用封閉的加熱裝置對(duì)軸承整體均勻加熱，加熱溫度不宜過(guò)高，在升溫過(guò)程中處于正游隙狀態(tài)，不會(huì)擠壓滾子而發(fā)生變形。在有條件的情況下，建議采用冷凍軸的方式裝配軸承。對(duì)軸承的潤(rùn)滑要高度重視，除了保證充分潤(rùn)滑以外，還要采取足夠措施確保油液的清潔度。

4.  在軸承及其配合的選用上，主機(jī)和部件以及軸承供應(yīng)單位之間應(yīng)密切協(xié)作，及時(shí)交流和反饋，合理選擇軸承及配合。裝置軸承的軸和孔應(yīng)按照軸承圈直徑公差選擇合理的公差帶，注意適當(dāng)收緊公差范圍以確保配合的過(guò)盈量。

5.  加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)工人的培養(yǎng)和訓(xùn)練，以確保軸承的裝配和游隙調(diào)整符合技術(shù)要求。

6.  裝配過(guò)程中，軸系應(yīng)反復(fù)對(duì)中，減輕額外載荷的影響。

7.  強(qiáng)化變速箱加工、裝配現(xiàn)場(chǎng)的工藝規(guī)程、工藝衛(wèi)生管理，確保變速箱加工、裝配過(guò)程在嚴(yán)格的工藝條件下進(jìn)行。

8.  編制風(fēng)電機(jī)組與主軸的運(yùn)輸和保管相關(guān)的技術(shù)指南，防止在運(yùn)輸及非運(yùn)行階段，主軸軸承下端滾道和滾子由于承受主軸巨大重力引起變形情況的發(fā)生。

9.  增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組機(jī)架的剛性，防止變形引起各軸承的非正常偏載。

10.  加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組日常維護(hù)保養(yǎng)，嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)范，對(duì)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的啟動(dòng)、制動(dòng)、停轉(zhuǎn)、停用等不同過(guò)程產(chǎn)生的影響要有足夠的應(yīng)對(duì)措施。

11.  風(fēng)電機(jī)組應(yīng)配備相關(guān)的檢測(cè)裝置，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)、溫度狀態(tài)實(shí)施瞬時(shí)監(jiān)控，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確查找原因，提前發(fā)布預(yù)警，避免因故障停機(jī)。

12.  強(qiáng)化風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)研究，以可靠性分析為基礎(chǔ)，針對(duì)機(jī)組所處的惡劣工況，系統(tǒng)分析傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部位所受的異常瞬間負(fù)荷的影響，編制更為符合實(shí)際工況的載荷譜，充分保證系統(tǒng)及零部件的安全裕度。改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)的布局和結(jié)構(gòu)，降低瞬間異常沖擊載荷的影響。

13.  在積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上合理選擇機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，盡可能采用成熟的經(jīng)過(guò)論證的傳動(dòng)形式，對(duì)新的傳動(dòng)形式和結(jié)構(gòu)布置，未經(jīng)論證不要輕易采用。

14.  原有的軸承壽命計(jì)算理論已難以滿足現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)齒輪箱軸承計(jì)算的要求，國(guó)際著名軸承公司提出的新的軸承壽命計(jì)算方法的相關(guān)資料制造商一般較少公開(kāi)。目前，軸承壽命的計(jì)算一般根據(jù)各軸承廠商提出的壽命計(jì)算方法進(jìn)行估算。軸承壽命的計(jì)算方法繁多，影響因素復(fù)雜，載荷數(shù)據(jù)匱乏、復(fù)雜載荷處理方法不完善，對(duì)機(jī)組在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的瞬間載荷、制動(dòng)載荷、極限載荷等的處理完全憑經(jīng)驗(yàn)估算。此外，在變載荷處理過(guò)程中運(yùn)用的線性積累損傷理論也并不能真實(shí)反映實(shí)際破壞情況，這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用的差距增大。為此，建議結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際需要加強(qiáng)國(guó)內(nèi)軸承壽命理論的研究。

15.  建議盡早加強(qiáng)滿足風(fēng)電高載荷容量、高可靠度、長(zhǎng)壽命這一特殊領(lǐng)域的軸承設(shè)計(jì)、材料、工藝、檢驗(yàn)技術(shù)的研究。軸承行業(yè)與風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)、風(fēng)電傳動(dòng)裝置制造企業(yè)聯(lián)合開(kāi)展研究工作，為風(fēng)電軸承的設(shè)計(jì)、制造積累經(jīng)驗(yàn)，爭(zhēng)取盡早取得突破。