通過改良變槳軸承延長風(fēng)力渦輪機(jī)壽命

編譯：侯俊　洛陽LYC軸承有限公司技術(shù)中心 

極端天氣、不可預(yù)測的重載、偏僻的位置和更高輸出的設(shè)計只是影響風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行的幾個挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)可能會導(dǎo)致意想不到的軸承故障。幸運(yùn)的是，通過改良設(shè)計、組件和技術(shù)，可以提高風(fēng)力渦輪機(jī)的使用壽命。改良可以將變槳軸承壽命延長10年，提高渦輪機(jī)壽命和效率，同時減少停機(jī)時間，所有這些都是投資新渦輪機(jī)軸承的一小部分。

為何變槳軸承與眾不同

回轉(zhuǎn)支承軸承將轉(zhuǎn)子輪轂（旋轉(zhuǎn)器）與葉片連接起來，因此可以根據(jù)風(fēng)力條件將其調(diào)整到佳角度。葉片通常由內(nèi)部/外部正齒輪或液壓驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)。

設(shè)計壽命為20年（約175000小時），變槳軸承通常具有深溝、哥特式拱形滾道和的滾動體數(shù)量。球體通過圓盤狀間隔或保持架分隔器分布。單列四點(diǎn)式或雙列八點(diǎn)式接觸設(shè)計提供了特殊的承載能力，軸承滾道能夠使球體同時承載任何方向的載荷。

變槳軸承的改良可以提高渦輪機(jī)的壽命和效率，同時減少昂貴的停機(jī)時間，所有這些都只是投資新渦輪機(jī)成本的一小部分。

然而，某些特性會對軸承壽命造成挑戰(zhàn)。常規(guī)變槳軸承在其整個使用壽命內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度可能不會超過90°，重負(fù)載以及非常小（<5°）的振動角，都會給變槳軸承部件帶來很大的應(yīng)力。它們也會長時間保持靜止，并不斷受到振動的影響，這會使?jié)櫥瑒┭杆倭踊?dǎo)致粘著磨損。

許多風(fēng)力渦輪機(jī)的位置偏僻，暴露在各種各樣的天氣條件下，而變槳軸承在塔頂?shù)奈恢孟拗屏巳藗兊恼＿M(jìn)入和觀察。通常，在定期維護(hù)期間，變槳軸承每6到12個月直接觀察一次，因此很難及早發(fā)現(xiàn)問題。此外，空心鑄鐵輪轂和復(fù)合葉片非常靈活，軸承幾乎沒有支撐。

變槳軸承失效原因

潤滑油

然而，由標(biāo)準(zhǔn)軸承計算模型預(yù)測的經(jīng)典失效模式（即疲勞剝落和剝蝕落）對于失效變槳軸承而言并不常見。罪魁禍?zhǔn)淄ǔＪ菨櫥涣?。潤滑引起的失效包括振動磨損（摩擦剝蝕落）、腐蝕、碎屑凹痕和表面疲勞。分隔器損壞、滾道剝落、裂球和軸承卡頓都可能是變槳軸承潤滑不良的跡象。許多被歸類為基于負(fù)載的故障，實(shí)際上可能是由潤滑脂劣化問題引起的。

此外，設(shè)計用于提高發(fā)電產(chǎn)能的更復(fù)雜的變槳控制技術(shù)會導(dǎo)致潤滑劑和軸承部件承受更大的應(yīng)力。主動變槳控制渦輪機(jī)軸承運(yùn)動方式是以極小的變槳角度連續(xù)、快速振蕩，用抖動來描述更為形象。這種運(yùn)行方式不僅是目前渦輪機(jī)效率提高的基礎(chǔ)，也是潤滑劑劣化和部件磨損的催化劑。

由于風(fēng)力渦輪機(jī)受到惡劣天氣環(huán)境的影響，因此必須設(shè)計潤滑措施，以確保機(jī)器的正常運(yùn)行時間和的維護(hù)次數(shù)。正確選擇潤滑脂是第一步也是重要的一步。變槳軸承潤滑脂必須耐水洗，并添加耐用添加劑，以應(yīng)對高負(fù)荷和振動情況。采用持續(xù)進(jìn)給潤滑系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況添加或調(diào)整潤滑脂加注量，而無需技術(shù)人員攀爬。

載荷和運(yùn)行

雖然潤滑是主要挑戰(zhàn)，但負(fù)載故障也是一個值得關(guān)注的領(lǐng)域。過載通常發(fā)生是因為軸承缺少輪轂總成的剛性支撐，導(dǎo)致不平衡，其中一小部分滾道承受大部分負(fù)載。負(fù)載和運(yùn)行引起的故障包括部件斷裂（滾動球元件、球體分隔器、滾道圈）、分離器鎖定和滾道芯部破碎。如上所述，潤滑條件也可能加劇這些故障。

在變槳軸承中，球體和滾道之間的接觸區(qū)域形成一個橢圓形，其中心位于滾道接觸角上。在大推力或傾覆載荷下，接觸橢圓可能超出滾道的物理極限（截斷）。接觸截斷的概率隨軸承徑厚比的增大而增大，或隨外支承的減小而減小。嚴(yán)重的接觸截斷會產(chǎn)生應(yīng)力上升，導(dǎo)致路徑邊緣斷裂或鋼球分裂成碎片。

臨末，計算依賴于一組條件假設(shè)，這些假設(shè)有時與實(shí)際情況幾乎沒有相似之處。一個軸承在一個干凈的房間里，用新的密封件，新的潤滑脂，安裝在一個堅硬、完全平坦的表面上，可能會使用幾十年。不幸的是，實(shí)際情況很少干凈整潔，工業(yè)設(shè)備（如風(fēng)力渦輪機(jī)）必須在需要的地方工作。

軸承改良：增加路徑表面積和增強(qiáng)套圈

盡管大多數(shù)變槳軸承的故障方式相類似，但其根本原因可能各不相同，改進(jìn)必須從了解該軸承的獨(dú)特問題開始。停機(jī)和更換軸承的潛在成本高達(dá)數(shù)十萬美元，因此直接與能夠提供軸承更換解決方案的制造商合作是有益的，該解決方案將提高生產(chǎn)率并延長渦輪機(jī)的壽命周期。有效的軸承升級減輕邊緣負(fù)荷，加強(qiáng)滾道圈，解決分隔器磨損和防止污染。，帶來更高效的軸承。

分隔圈和滾道幾何形狀

盡管有一些理論上的優(yōu)勢，但考慮到連續(xù)套圈分隔器的制造差異所需的折衷方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了它們的任何好處。由于直徑通常超過2米，要在5毫米厚的套圈上保持良好的形狀和公差幾乎是不可能的。必須擴(kuò)大滾道圈之間的間隙以容納套圈，從而減少路徑接觸面積并增加截斷。套圈也必須由低碳鋼制成，因為高強(qiáng)度合金通常不可焊接。另一方面，分段式保持架沒有這些缺點(diǎn)，提供有限的移動自由度，可以減輕可能會造成單件套圈斷裂的載荷。

對于路徑，嚴(yán)格的幾何尺寸和公差（GD&T）控制形狀、光潔度和間距，以改善負(fù)載分配和平衡。更接近完美的形狀意味著更少的摩擦、打滑和緊固點(diǎn)，從而減少內(nèi)部磨損，提高變槳系統(tǒng)的響應(yīng)和效率。

將分隔圈拆分為可限制單個移動自由度的多個部分，從而減少拉伸和壓縮載荷。

改良密封圈

變槳軸承密封具有雙重作用：保護(hù)內(nèi)部部件不受污染，防止?jié)櫥瑒┬孤┑街車h(huán)境中。不幸的是，密封不是完全有效的；畢竟，如果軸承是密封的，它就不能旋轉(zhuǎn)。常見的變槳軸承密封件是氫化丁腈橡膠（HNBR），安裝在一個滾道圈的凹槽上，兩個密封唇沿相對的滾道圈拖動。這種密封形式磨損快，暴露在紫外線和臭氧下時迅速劣化，對變形反應(yīng)差，并為污染物提供直接進(jìn)入軸承內(nèi)部的路徑。

“H型”密封件設(shè)計由熱塑性聚氨酯（TPU）制成，安裝在迷宮式固位槽上，顯著提高了密封效果。這種自由浮動的設(shè)計具有高靈敏度，即使變形也能提供密封壓力。它在運(yùn)行期間對套圈變形不太敏感，減少潤滑脂泄漏和進(jìn)水，有助于提高堅固性和降低維護(hù)成本。此外，TPU的磨損率是傳統(tǒng)橡膠的一小部分，延長了有效性和更換間隔。

以藍(lán)色示出推薦的硬化深度；以紅色示出失效軸承（左側(cè)）的實(shí)際硬化深度。出現(xiàn)故障的軸承采用橡膠密封件，在改良軸承（右）中，橡膠密封件被替換為采用“H”型橫截面輪廓的密封件。

滾道耐久性

重型接觸載荷產(chǎn)生的剪切應(yīng)力會滲透到表面下方，導(dǎo)致較軟的芯部屈服，從而造成硬化路徑與滾道圈分離（芯部破碎）。為了防止這種情況發(fā)生，感應(yīng)硬化層必須滲透足夠深，使鋼的強(qiáng)度超過接觸剪切應(yīng)力。在變槳軸承中，結(jié)構(gòu)變形和嚴(yán)重的傾覆載荷意味著沿路徑表面的任何一點(diǎn)都可能出現(xiàn)峰值剪應(yīng)力。因此，硬化層必須是均勻的，并且不會隨著其從設(shè)計接觸角的進(jìn)一步移動而減少。深度、均勻的熱處理大大減輕了接觸截斷的影響。

恰當(dāng)?shù)拇鎯?、包裝和吊裝

由于大多數(shù)軸承在安裝前都有較長的保質(zhì)期，因此在使用前必須確保軸承的儲存和包裝以防止退化。正確的包裝可以防止運(yùn)輸過程中的腐蝕和沖擊、振動及其他危害。包裝應(yīng)包括在安裝孔上涂上防腐涂層、用揮發(fā)性緩蝕劑（VCI）紙包裹軸承、用真空密封袋包裝和單獨(dú)的板條箱（以兩個高度堆疊）。

軸承在安裝前應(yīng)保持其原始包裝，以防止接觸污染物，尤其是灰塵，并應(yīng)使用干凈、干燥的手和干凈的抹布進(jìn)行處理。安裝前，應(yīng)將其放在干凈的紙上，蓋好蓋子，切勿接觸臟桌子或地板。 

延長渦輪機(jī)壽命的定制方案

當(dāng)渦輪機(jī)因為維護(hù)問題或設(shè)備故障而下線時，維修人員的高成本和起重機(jī)日費(fèi)用會導(dǎo)致成本飆升。升級的變槳軸承解決方案可通過以下方式提高汽輪機(jī)壽命和效率，減少停機(jī)時間：

·即使在惡劣環(huán)境下也能提高渦輪機(jī)的可靠性

·延長密封和軸承使用壽命

·降低運(yùn)營和維護(hù)成本

·改進(jìn)變槳控制以提高性能

·減少安裝和更換時間

由于軸承的健康狀況取決于多種因素，因此與能夠采用故障軸承分析并使用模擬程序測試新解決方案的制造商合作非常重要，以確定哪些升級可能是降低未來故障風(fēng)險所必需的。此外，諸如狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測性維護(hù)等增值服務(wù)可以進(jìn)一步延長風(fēng)力渦輪機(jī)的使用壽命，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其預(yù)期壽命。

（譯自《windpower》）

（來源：中軸協(xié) 會刊）