风力发电机轴承早期失效的原因——过载还是欠载？

风力发电机及其组件经过精心设计可正常运行20年以上。根据行业标准DIN ISO281的轴承额定寿命计算方法，滚子轴承的寿命与(C₁/P)^10/3成正比，其中C为轴承额定动载荷，P为工作载荷。基于风力发电机轴承的额定动载荷及其预期工作载荷，轴承应在预期使用寿命内具有高可靠性，但实际上风力发电机齿轮箱轴承往往会在2~11年内失效，主要由高速轴轴承、中速轴轴承和行星轮轴承造成。行星轮轴承失效成为主要问题，与可在塔楼上更换的高速轴和中速轴轴承不同，行星轮轴承的更换需使用起重机拆卸、运输和场外维修齿轮箱。停机期间的收人损失和更换的直接成本大大增加了风力发电的成本，这对化石燃料的需求、CO₂排放和能源可持续性具有不利影响。

齿轮箱轴承早期失效不是由于使用的材料不当或设计与实践结合不足，Musial 等人得出结论:对失效最可能的解释是在设计过程中未考虑重要的载荷情况。由于行业标准假设载荷与寿命成反比，因此合理地假设轴承早期失效由难以预测、建模或检测轴承过载所致。暴风、阵风、启停瞬态、电网故障以及风切变对轴承载荷和可靠性均具有重大且不可预测的影响。

通过滑动、滚动或两者组合可描述2个接触体之间的摩擦学相对运动。可用滑滚比(SRR)表征滚动体位于从滚动到滑动频谱的某处位置，纯滚动和纯滑动的SRR分别为0和2。滑动往往造成快速且不可预测的磨损，纯滚动接触的失效是滚动接触疲劳的结果，可通过DINISO281进行预测。由于需要拖动力来维持滚动状态，因此在低载荷下风力发电机用圆柱滚子轴承的SRR会增加。Kang等人的结果表明，当C₁/P由1增加到2000时，风力发电机用圆柱滚子轴承的SRR会增加一个数量级或更多。也就是说，当额定动载荷比工作载荷大几个数量级时，滑动变得更加普遍。因此，为了防止过度打滑、磨损和不可预期的轴承寿命缩短，许多轴承制造商规定了最小额定载荷。

检验分析表明轴承失效主要是由于过度打滑和磨损造成的麻点、涂抹和白蚀剥落。Gould和Greco认为轴承反作用力不足以提供滚动所需的拖动力。潜在的因素是风速变化引起载荷的可变性，轴承设计时必须考虑轴承承受极端载荷的情况，这种情况显然极少发生。在更常见的风速条件下，当载荷较低时，SRR增加，过度打滑增加了轴承表面损伤的风险。

Guo等人采用仪表传动系统的直接测量结果表明行星传动系统支承了由悬臂转子重量、风切变、偏航及其他潜在因素造成的大部分非扭矩载荷。使用齿轮箱可靠性协作(GRC)标准齿轮箱的机械动力学模型表明非扭矩载荷向行星传动系统的传递主要与行星架圆柱轴承的游隙有关。Guo等人以及Gould和Burris 的独立分析表明在行星架运转的不同阶段,行星传动系统的非扭矩载荷分配同时增加或减少了行星轮轴承反作用力。行星传动系统分配的非扭矩载荷进一步降低了正常风况下已经很小的工作载荷。常见的瞬态事件(如电网故障和阵风)可能使滚动体突然打滑，欠载导致轴承极易损伤。根据先前的研究，推测风力发电机齿轮箱轴承会由于过载、欠载过度打滑或两者结合而发生失效。尽管许多论文的主题强调风力发电机齿轮箱轴承多数由于过载而失效但通过对失效轴承进行现场检验分析表明,欠载对于行星轮轴承可能更加不利。本文旨在阐明行星传动系统的实际非扭矩载荷分配如何影响行星轮轴承载荷，特别是在过载和.欠载的工况下以及其如何导致行星轮轴承早期失效。

作者研究分析了在实际风况下，典型的风力发电机中GRC标准齿轮箱的行星轮轴承载荷的可能范围。结果表明，无论风速如何，行星传动系统的非扭矩载荷分配都会增加每个转子周期内行星轮轴承反作用力的最大值，并减小反作用力的最小值。在没有行星传动系统非扭矩载荷分配的情况下，行星轮轴承过载仅在风速为13.5 ~ 14.5 m/s下发生，欠载在风速为4 ~5 m/s下发生。通过悬臂转子重量的实际行星传动系统载荷分配，过载下风速扩展到12 ~19 m/s,欠载下风速扩展到4~7 m/s。根据来自美国10个风场已发布风谱的分析，即使考虑到实际的非扭矩载荷分配，最坏情况下行星轮轴承的疲劳寿命至少为42年。10个风场的行星轮轴承平均疲劳寿命为277年。在这相同的10个风场中，预计行星轮轴承每个周期内有40% ~ 70%(平均61% )的时间欠载。在欠载工况下，轴承可能失去拖动力，造成打滑以致轴承表面损伤，涂抹并最终在不可预知的时间失效。此外，打滑过程中发生的表面损伤会缩短疲劳寿命并加速疲劳失效。结果强调需要同时考虑轴承欠载和过载作为行星轮轴承早期失效的重要因素。尽管为减轻打滑，可增加齿轮箱的额定载荷，但这种变化会加剧轴承欠载的发生概率，甚至可能缩短齿轮箱使用寿命。

可能延长轴承使用寿命的方法有: