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(cè)的重載、偏僻的位置和更高輸出的設(shè)計(jì)只是影響風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行的幾個(gè)挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)可能會(huì)導(dǎo)致意想不到的軸承故障。幸運(yùn)的是，通過改良設(shè)計(jì)、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(shí)減少停機(jī)時(shí)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(dòng)器旋轉(zhuǎn)。

設(shè)計(jì)壽命為20年（約175000小時(shí)），變槳軸承通常具有深溝、哥特式拱形滾道和的滾動(dòng)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(jì)提供了特殊的承載能力，軸承滾道能夠使球體同時(shí)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(shí)減少昂貴的停機(jī)時(shí)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(huì)對(duì)軸承壽命造成挑戰(zhàn)。常規(guī)變槳軸承在其整個(gè)使用壽命內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度可能不會(huì)超過90°，重負(fù)載以及非常小（<5°）的振動(dòng)角，都會(huì)給變槳軸承部件帶來很大的應(yīng)力。它們也會(huì)長時(shí)間保持靜止，并不斷受到振動(dòng)的影響，這會(huì)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(gè)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(jì)算模型預(yù)測(cè)的經(jīng)典失效模式（即疲勞剝落和剝蝕落）對(duì)于失效變槳軸承而言并不常見。罪魁禍?zhǔn)淄ǔＪ菨櫥涣肌櫥鸬氖Оㄕ駝?dòng)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(jì)用于提高發(fā)電產(chǎn)能的更復(fù)雜的變槳控制技術(shù)會(huì)導(dǎo)致潤滑劑和軸承部件承受更大的應(yīng)力。主動(dòng)變槳控制渦輪機(jī)軸承運(yùn)動(dòng)方式是以極小的變槳角度連續(xù)、快速振蕩，用抖動(dòng)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(jì)潤滑措施，以確保機(jī)器的正常運(yùn)行時(shí)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(duì)高負(fù)荷和振動(dòng)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(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。過載通常發(fā)生是因?yàn)檩S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(dòng)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(gè)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?cái)啵?。接觸截?cái)嗟母怕孰S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?cái)鄷?huì)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(jì)算依賴于一組條件假設(shè)，這些假設(shè)有時(shí)與實(shí)際情況幾乎沒有相似之處。一個(gè)軸承在一個(gè)干凈的房間里，用新的密封件，新的潤滑脂，安裝在一個(gè)堅(jiān)硬、完全平坦的表面上，可能會(huì)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(jí)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(shì)，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?cái)唷Ｌ兹σ脖仨氂傻吞间撝瞥?，因?yàn)楦邚?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(dòng)自由度，可以減輕可能會(huì)造成單件套圈斷裂的載荷。

對(duì)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(gè)移動(dòng)自由度的多個(gè)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(gè)滾道圈的凹槽上，兩個(gè)密封唇沿相對(duì)的滾道圈拖動(dòng)。這種密封形式磨損快，暴露在紫外線和臭氧下時(shí)迅速劣化，對(duì)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(jì)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(dòng)的設(shè)計(jì)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(duì)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(jiān)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(huì)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(huì)隨著其從設(shè)計(jì)接觸角的進(jìn)一步移動(dòng)而減少。深度、均勻的熱處理大大減輕了接觸截?cái)嗟挠绊憽?/p>

恰當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)、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(chǔ)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(dòng)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(gè)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?yàn)榫S護(hù)問題或設(shè)備故障而下線時(shí)，維修人員的高成本和起重機(jī)日費(fèi)用會(huì)導(dǎo)致成本飆升。升級(jí)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(shí)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(shí)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(cè)試新解決方案的制造商合作非常重要，以確定哪些升級(jí)可能是降低未來故障風(fēng)險(xiǎn)所必需的。此外，諸如狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)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(huì)刊）