关键词 : 风力发电 ; 轴承 ; 解决方案 中图分类号 : TM315 文献标识码 : A 文章编号 : 167326540 (2008) 1220054204
SKF X2Large Hybr id D eep Groove Ba ll Bear ings ———A Reliable Solution for W ind Turb ine Genera tors
1. 1 电腐蚀
要获得润滑脂的某些特殊性能往往需要一些添加
在变频器供电的双馈发电机中 ,电流流过轴 剂 ,如 :防锈添加剂可以防止金属生锈及润滑脂的
承的问题十分常见 ,这种现象就是所谓的电腐蚀 。 氧化 。
轴承电腐蚀通常发生在电流经由滚动体从一个滚
风力发电机被安装在世界各地 ,经受不同的
道流到另一个滚道的时候 。电蚀对轴承的破坏程 气候环境 ,也要适应不同的环境变化 。例如 ,环境
条件就是有足够的润滑 。润滑剂的作用就是形成 染的最普遍来源包括 :润滑不足 (比如 ,干燥的优
保护性油膜 ,分隔滚动接触表面 ,防止金属与金属 的直接接触 。润滑剂还应有保护相应部件不受腐
质颗粒 )产生的污染 ,损坏的密封件 ,环境污染颗 粒以及由于安装和更换轴承室操作不当引起的污
蚀的作用 。当使用润滑脂作为润滑剂时 (风力发 染等 。这些污染颗粒经过滚动体的滚压就会在轴
Key words: w ind turb ine genera tors; bear ings; solution
0 引 言
电力电子 技 术 在 变 速 控 制 中 的 应 用 越 来 越 多 ,这种技术替代了很多传统的调速方式 ,如机械 齿轮箱驱动 、液压驱动等 。变频器的应用使电机 可以在零到额定转速之间自由调速 ,并能使其一 直运行于合适的工作点 ,因此提高了电机的效率 和动态响应能力 ,同时降低了能源消耗 。相同的 技术同样也应用于风力发电机中 。在过去的 5、6 年里 ,大型风力发设备中的“双馈发电机 ”成为了 典型应用 ,并且越来越流行 ,这种技术可以使风力 发电机在相对宽广的速度范围内运行 。双馈发电 机中转子绕组由变频器供电 ,电机可以在变转子 转速的情况下优化发电能量并保持稳定的线频 率 ,同时对有功功率和无功功率进行调节 。但是 ,
当等 。每个因素都会造成不同的损害 ,同时 ,会在 保护轴承不受固体颗粒 、灰尘和水的污染等 。
轴承里留下他们自己特有的痕迹 。通过对应用实
油脂有一些重要的性能 ,包括 :黏度 、油膜形
例和轴承的研究发现 ,风力发电机中的轴承失效 成能力和密度等 。对油膜厚度最重要的影响因素
都直接或者间接的与过电流 、润滑和磨损有关 。 就是轴承的大小 、转速 、温度 ,负荷及基油黏度 。
颗粒污染进入轴承或润滑不足时 ,便会导致磨损
的发生 。停机时 ,轴承的震动也可能导致磨损 。
风力发电机的应用经常不仅要适应运行时的
恶劣环境 ,同时还要适应维护时停机的工况 。由
图 1 球轴承保持架的片段 (过电流导致由润滑至变黑 )
1. 2 润滑 滚动轴承稳定运行达到运行寿命的一个重要
于型号的原因 ,发电机中的轴承通常是开式的深 沟球轴承 。由外界的迷宫式密封保护轴承 ,即便 如此 ,仍然存在着污染物进入轴承室的风险 。污
图 3 停机震动产生的圆柱滚子轴承上的伪布氏压痕
2 混合陶瓷轴承
混合陶瓷轴承 (图 4)由轴承钢质的轴承圈和 轴承级氮化硅材料的滚动体组成 。氮化硅材料是
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图 4 轴承刚材质套圈以及轴承级氮化硅 (陶瓷 ) 材质滚动体构成的混合陶瓷轴承
氮化硅材质的一个非常重要的特性就是它有 非常良好的电绝缘性能 。这种性能使轴承免于受 到过电流的损伤 ,同时在变频器供电的变速驱动 电机中增长了轴承的使用寿命 。氮化硅材料的密 度是钢材质的 40% ,使得轴承的滚动体质量变得 更轻 ,也拥有更小的惯性 ,这意味着在快速起停时 减小了保持架的受力 ,与全钢质轴承相比在高速 运行时减小了轴承摩擦 。更低的摩擦就意味着运 行温度更低 ,更长的再润滑时间间隔及润滑剂寿 命 。因此 ,混合陶瓷轴承在高速下具有更加优越 的性能 。 SKF混合陶瓷轴承对润滑不足不是非常 敏感 ,这使它在更加严酷的动态环境下或者在低 运行黏度润滑条件下 ,比全钢质轴承有更长的运 行寿命 。
与钢相比氮化硅材料具有更高的硬度和更大 的弹性模量 ,这增加了轴承的坚固性 ,延长了混合 陶瓷轴承在污染环境下的运行寿命 。在润滑不良 和恶劣环境下运行时 ,混合陶瓷轴承就耐磨性能 上的表现远远超过全钢质轴承 。另一方面 ,相同 尺寸的氮化硅材料的球比钢材质的球具有更小的 热膨胀量 ,这减小了轴承内部由于热分布而带来 的敏感性 ,同时使预负荷的控制更加精确 。为了 确保最优的质量 , SKF用一套复杂的轴承滚动体 用氮化硅材料技术要求来控制质量 。这一技术要 求包括材料强度 、材质宏观微观组织结构 、硬度 、
度取决于放电能量和持续时间 ,但破坏效果基本 温度就与风力发电机安装的地域 、纬度 、季节相
相似 ,包括 :滚动体和滚道上的微小电蚀凹坑 、润 关 。同样 ,安装在北海和靠近沙漠的风场湿度会
滑迅速退化 、失效第二阶段的搓板纹及相应的轴 有很大的不同 。风力发电机中的润滑剂要适应这
承失效等 。
些变化 。有时在特定的工作环境 (例如温度 )下
Gerw in P reisinger ( SKF O sterreich AG, Industrial Electrical Segment, Seitenstettner Str. 15, 4401 Steyr, A )
Abstract: Premature bearing failures of w ind turbine generators are occurring frequently. The reasons are mani2 fold, but based on app lication studies and bearing investigations two main root causes have been identified: electrical current passage, electrical erosion respectively, due to frequency converter supp ly of doubly - fed induction generators and lubrication and wear related p roblem s. Strives to give an overview on typ ical root causes for p remature bearing fail2 ures in w ind turbine generator app lications and introduces extra - large (XL ) hybrid deep groove ball bearings as a new SKF solution to significantly reduce generator bearing failures and to increase the overall reliability and operating availability of wind turbines.
良 ,震动发生在轴承的游隙之中 ,这些都有可能损 绝缘特性 。混合陶瓷轴承有更高的速度能力 ,与
坏轴承 ;同样 ,如果发电机处于停机状态 ,经过一 普通的全钢质轴承相比在大多数工况下有更长的
使用寿命 。
图 2 滚道表面由于由于滚过污染颗粒造成的痕迹
段时间的震动也会导致轴承损伤 。对于以前设计 的风力发电机在停机时仍然没有停止旋转 ,这样 的故障十分普遍 。因此 ,在更新的设计中 ,浆叶在 停机时依然缓慢地旋转 。但在发电机静止时 ,轴 承内部相互接触的部件之间没有润滑剂来形成油 膜 ,进而产生滚动体和滚道之间的金属直接接触 。 如果再引入外界的震动 ,这个震动就会使滚动体 相对滚道发生非常微小的位移 ,在这样的位移情 况下金属之间微小的冷焊点和磨损会使滚道产生 损坏 ,出现微动腐蚀 。这样的损坏通常发生于滚 子等间距的地方 ,呈现颜色的变化或者光泽的变 化 。这种损坏就是所谓的“伪布氏压痕 ”(图 3) 。
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2008, 35 ( 12 )
承的滚道上导致疲劳形成散裂 (图 2)。
一种陶瓷材料 ,它拥有很多有益的特性 :高硬度 、
在运输过程中 ,如果发电机的转子轴固定不 电绝缘 、低密度和稳定性 ;同时还有很出色的电气
放电时产生的热量会使轴承材料表面融溶 , 的参数非常难以准确预知 ,导致了由于润滑脂选
产生凹坑 ,同时金属的融屑会发生转移 ,脱离原来 型不当造成的润滑表现不良 。不足量的润滑会导
的位置 。电蚀凹坑表面的金属会被再硬化 ,变得 致金属表面疲劳和磨损 ,从而减小轴承的寿命 。
比之前的轴承材料更脆 。再硬化层下面是一层退 如果滚动体和滚道之间的润滑膜太薄 ,金属表面
对轴承定期进行补充润滑 ,对于保证它的良 好运行和达到预计寿命非常重要 。通常装机的风
常高倍的显微镜下才可以看到这些凹坑的形状 。 力发电机中 ,发电机的再润滑都是通过人工在例
此外 ,电流放电同样导致轴承内部润滑的变 行维护中进行的 。这样的过程中 ,工人每 6 个月
性 ,并且迅速退化 。高温使润滑机中的添加剂和 就要爬到塔顶进行一次工作 ,有时在例行维护中 ,
火层 ,这部分的材料比周围软 。受损伤的轴承表 就不会被充分隔离 ,就会发生金属和金属的直接
面看起来发暗 ,其特征是有很多融溶的小坑 。这 接触 。这样的情况可能是由污染 、润滑不足等情
些微小的凹坑遍布于滚动体表面和滚道之上 ,凹 况造成的 。
坑的尺寸很小 ,不论在内圈 、外圈或者滚动体上 , 它的直径通常有只有 5～8μm。因此也只有在非