大型风力发电机主轴轴承故障分析及预防方法

大型风力发电机主轴轴承故障分析及预

防方法

摘要：在直驱风电机组中，由于受偏航、变桨、刹车等冲击的影响，其动态

特性十分复杂。根据直驱风机的工作特性，采用常规的振动监测方法，因其工作

状态复杂，故障演变机制不清楚，致使风机发生重大事故。传统的振动检测方法

存在着缺陷，目前国内外尚无一套行之有效的状态监控理论。本文针对直驱式风

扇的主轴轴承进行了故障机理和动力学特性的研究。探讨了动态交变应力条件下

的故障演变机制，揭示了故障的主轴承动力特性和故障信息特征之间的定量关系。

关键词：大型风力发电；主轴轴承；故障；预防

1 项目背景

（1）风机设计时通常由风机主机厂向风机轴承供应商提出技术要求，风机

轴承供应商据已有标准规范：GL 2010风机认证指南，IEC 61400风电标准，ISO 281滚动轴承，额定动载荷和额定寿命，ISO 16281滚动轴承，通用装载轴承用

改良参考额定寿命的计算方法，JB/T 10705-2016 滚动轴承，风力发电机轴承，GB/T29718-2013 滚动轴承风力发电机组主轴轴承，GB-T 4662-2003 滚动轴承，

额定静载荷，GB-T 6391-2003滚动轴承，额定动载荷和额定寿命，GB/T18254-2002高碳铬轴承钢等标准进行轴承选型计算提供相应型号轴承，在某些情况下由

于轴承选型不合理导致轴承在实际运行过程中发生开裂、断裂及过早磨损等失效，而使用轴承的风机主机厂商并没有掌握风机轴承选型的方法，当风机轴承发生故

障后很难分析出引起轴承故障的原因及预防轴承发生故障。本项目通过对已颁布

的风机轴承相关标准进行整理，掌握风机轴承在选型过程中注意事项及计算方法，编制轴承选型规范，为后续风机设计轴承选型提供选型依据。

（2）目前公司机组使用轴承（变桨轴承、偏航轴承、主轴轴承）集中润滑

系统是贝卡（国外）生产的轴承集中润滑系统，贝卡的轴承集中润滑系统成本较

高，本项目通过开发国产轴承集中润滑系统来降低轴承集中润滑系统成本，拟降低成本30%。目前风机轴承废旧油脂收集是在轴承的排油口安装集油瓶，通过轴承转动对轴承中的废旧油脂被动压入集油瓶。在机组实际运行过程中，由于油脂的皂化常常阻塞轴承排脂口，废旧油脂无法正常排出，导致废旧油脂在轴承内部堆积，油脂对轴承不能起到充分润滑作用，甚至还会加速轴承的磨损。本项目通过开发国产轴承集中润滑系统及废旧油脂收集系统，以降低轴承集中润滑系统成本，解决轴承废旧油脂排脂困难问题。

（3）当前风机运行状态监控主要依靠SCADA系统对风机大部件进行实时监控，而SCADA系统仅对半直驱机组发电机轴承温度进行监控，对变桨轴承、偏航轴承以及直驱机组的主轴轴承缺少监控，当轴承发生严重故障（轴承开裂、轴承断裂、异常振动、卡滞、异常温升）时才会被机组运维人员发现，此时仅能对轴承进行更换处理，引起机组停机时间长，造成发电量损失，同时更换轴承需要大型起吊设备，造成机组维修成本高。本项目通过搭建轴承在线监测系统对轴承进行实时监控，当轴承发生异常时发出预警，维护人员针对轴承预警信息，提前制定预防措施，避免机组因为轴承故障引起较高的发电量损失及维修成本损失。

2 轴承故障发展阶段

2.1 初始阶段

（1）噪声正常

（2）温度正常

（3）可以用超声，振动尖峰能量，声发射测量出来

（4）振动总量比较小，无离散的轴承故障频率尖峰

（5）剩余寿命大于10％

2.2 第二阶段

（1）噪声略增大

（2）温度正常

（3）超声，声发射，振动尖峰能量有大的增加

（4）振动总量略增大(振动加速度总量和振动速度总量)

（5）轴承故障谐波出现

（6）剩余寿命5％

2.3 第三阶段

（1）可听到噪声

（2）温度略升高

（3）非常高的超声，声发射，振动尖峰能量

（4）振动加速度总量和振动速度总量有大的增加

（5）频谱上清楚地看出轴承故障频率及其谐波

（6）剩余寿命小于1％

2.4 第四阶段

（1）噪声的强度改变

（2）温度明显升高

（3）超声，声发射，振动尖峰能量迅速增大，随后逐渐减小，轴承处在损坏之前故障状态

（4）振动速度总量和振动位移总量明显增大，振动加速度总量减小

（5）较低的轴承故障频率占优势的振动尖峰

（6）剩余寿命小于0.2％

3 维护保养措施

3.1 轴承润滑保养

根据SKF240/630 BC轴承的维护说明书，每隔6个月就要加润滑油2.1公斤。与以往的单一注油方法相比，作者采用了一种更为合理的方法来保证润滑油的渗入。

在齿轮箱侧面附近有一个轴承罩。为确保润滑油在轴承上的均匀润滑，在不

损坏轴承结构的情况下，在每一次注油时，都可以开启轴承盖进行润滑。该轴承

共18个球间隙，当轴承盖开启时，使用黄油枪将美孚460WT2.1公斤的润滑油均

匀地注入18个空隙，保证了每一颗球和滑轨的表面都有一层保护性的油膜，起

到润滑的作用。

当机油注入完成后，在风机内部进行试验，以保证油的均匀分配，使润滑不

会有任何死角。

3.2 轴承的清洗

随着使用寿命的延长，根据轴承维修手册的规定，在使用9-10年后，应将

所有的润滑脂更换为9.5 kg。传统的润滑方法是打开轴承盖，通过人工的方法清

除润滑油，然后在轴承的空隙中填充新的润滑油。但这种方法有下列缺点：1）

不能确保彻底清除失效的油脂；2)随着使用时间的延长，油液中的铁屑不能彻底

清除；3)球体和支架上粘有油脂，不能清楚地看到表面状况，并能了解使用寿命

延长后轴承的实际状况。为了克服以上缺点，本文提出了一种不能拆卸风机的清

洁轴承的方法。

在传统的工业中，轴承清洁是非常普遍的，但是在风力发电行业中，还没有

建立起一套完整的系统。本文以传统的清洁轴承为例，对风机内部的轴承采用不

拆式清洁的方式进行清洁，其清洁过程包括：

（1）油脂清理