近年來國內(nèi)外的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滾動軸承失效的案例不斷出現(xiàn)，2016年歐洲某知名風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造廠就因其多臺直驅(qū)機(jī)組的主軸滾動軸承失效賠付業(yè)主6.2億歐元。據(jù)筆者近兩年來的統(tǒng)計，國內(nèi)多家風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造廠就有一千多臺直驅(qū)機(jī)組的主軸滾動軸承失效;雙饋機(jī)組也有幾千臺的各種滾動軸承或輪齒失效。 前不久調(diào)查到福建浦田某風(fēng)電場的20臺國外某知名品牌的風(fēng)力機(jī)在2015到2016年就更換了6臺增速齒輪箱，其余的在2017年進(jìn)行了更換。不久前瓜州某60萬千瓦風(fēng)電場也更換了17臺風(fēng)電機(jī)組的增速齒輪箱。2017年上半年筆者去張家口幾個風(fēng)電場調(diào)研，路過河北豐寧，調(diào)查到豐寧某風(fēng)電場的風(fēng)力機(jī)上的增速齒輪箱均出了故障。以上問題在當(dāng)年大規(guī)模引進(jìn)風(fēng)力機(jī)技術(shù)時就已引進(jìn)來了，只是我們沒有全部消化和識別。

回顧12年前《行星齒輪傳動失效研討》一文，介紹過德國某風(fēng)電齒輪箱制造廠從2001年到2004年其供應(yīng)全世界風(fēng)電增速齒輪箱之中有4500多臺出了故障，造成當(dāng)時歐洲九個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造廠破產(chǎn)，也連累到在中國的幾百臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(后來是國內(nèi)C齒輪箱制造廠對該批增速齒輪箱作了更換)。按當(dāng)時歐洲某知名保險公司的統(tǒng)計，在那4500多臺故障的風(fēng)電齒輪箱中表現(xiàn)在軸承上的占30%(約1350臺)、表現(xiàn)在輪齒上的占39%(約1755臺)、表現(xiàn)在風(fēng)電齒輪箱軸、泵、聯(lián)軸器、箱體、密封件等其它方面的占31%。自那以后世界各風(fēng)電齒輪箱制造廠和軸承制造廠都從優(yōu)化齒輪箱或軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、制造精度、制造材料、表面處理、潤滑方式、潤滑材料、優(yōu)化滾動軸承軸向載荷、優(yōu)化滾動軸承徑向間隙、優(yōu)化滾子接觸角、優(yōu)化滾子的波紋度、優(yōu)化滾動軸承滾子修形、優(yōu)化齒輪齒修形、優(yōu)化行星傳動結(jié)構(gòu)、優(yōu)化均載系數(shù)、安裝工藝、試驗驗證等方面都做了大量的改進(jìn)。

那些通常適用于恒速運行的船用齒輪箱或其他工業(yè)用齒輪箱行之有效的措施，用在風(fēng)力機(jī)或風(fēng)電齒輪箱上卻只能治標(biāo)、不能治本。都未能達(dá)到預(yù)想的效果，只要風(fēng)力機(jī)運行到一定時段，風(fēng)力機(jī)的主滾動軸承、風(fēng)電齒輪箱的滾動軸承和輪齒照樣出現(xiàn)故障，而故障頻率和故障面是不斷地加劇。這引發(fā)我們的深思!只有找到導(dǎo)致出現(xiàn)這些故障的真正原因才能根治或減少這些故障的出現(xiàn)。

首先筆者認(rèn)為：其根源在于風(fēng)力機(jī)所接受的能量——風(fēng)，具有的隨機(jī)性、波動性以及間歇性。

風(fēng)力機(jī)傳動軸系-主軸—滾動軸承-齒輪-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)就是工作在風(fēng)的隨機(jī)性、風(fēng)的波動性以及風(fēng)的間歇性的工況頻繁突變的典型代表。因此該系統(tǒng)在運行時，要頻繁經(jīng)歷啟動、停機(jī)、工況變化、轉(zhuǎn)速變化和負(fù)荷變化等瞬態(tài)過程。

主傳動鏈故障首要原因——低頻扭轉(zhuǎn)振動

筆者曾憑多年從事扭轉(zhuǎn)振動的預(yù)防、測試等研究經(jīng)驗的積累，從理論上認(rèn)為造成風(fēng)力機(jī)主傳動鏈部件各種故障的第一個原因是：低頻扭轉(zhuǎn)振動。例如造成滾動軸承跑圈或輪齒損壞的重要原因之一就是風(fēng)力機(jī)設(shè)計階段沒有意識到風(fēng)力機(jī)主傳動鏈存在低頻扭轉(zhuǎn)振動。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是以風(fēng)為能源的動力機(jī)械，不單是有沒有低頻扭轉(zhuǎn)振動的問題，而在于“低頻扭轉(zhuǎn)振動嚴(yán)重不嚴(yán)重”的問題。可惜，這一概念到今天為止所引進(jìn)的國外技術(shù)資料都未曾提到，在風(fēng)能界也還不習(xí)慣。

在國外某風(fēng)力機(jī)制造公司于2011年也發(fā)現(xiàn)此問題，并和另一家公司以及國外某知名大學(xué)共同研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動軸系低頻扭轉(zhuǎn)振動。他們于2012年得出理論結(jié)論，2013—2014年以其樣機(jī)作試驗、驗證，從2015年起該國外某知名風(fēng)力機(jī)制造公司就在其新制的機(jī)型上都裝用不同型號、低頻、非線性扭轉(zhuǎn)振動減振阻尼裝置。這也證實了筆者的觀點。

除了由于動力機(jī)械不均勻輸出功率會造成扭轉(zhuǎn)振動以外，不均勻吸收扭矩的工作機(jī)械，也會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動。

風(fēng)力機(jī)的低頻扭轉(zhuǎn)振動情況與風(fēng)的時變性使風(fēng)力機(jī)葉輪的不均勻吸收和輸出功率的情況有關(guān)，在系統(tǒng)的振動特性不變時，當(dāng)吸收和輸出功率的波動越大，扭轉(zhuǎn)振動的振幅也越大。

所有的工業(yè)機(jī)械，都發(fā)生過由于扭轉(zhuǎn)振動而造成的事故。

如果系統(tǒng)存在低頻扭轉(zhuǎn)振動，風(fēng)力機(jī)傳動軸系統(tǒng)就會產(chǎn)生由低頻扭轉(zhuǎn)振動而引起的低頻扭轉(zhuǎn)振動應(yīng)力，這應(yīng)力是風(fēng)力機(jī)裝置本身所應(yīng)承受的應(yīng)力之外的低頻扭轉(zhuǎn)振動附加應(yīng)力，這樣就加重了風(fēng)力機(jī)主傳動鏈部件的負(fù)荷，當(dāng)應(yīng)力超過允許限度，就會使風(fēng)力機(jī)軸系主傳動鏈部件產(chǎn)生疲勞損壞。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)的軸系產(chǎn)生低頻扭轉(zhuǎn)振動時，有以下幾種現(xiàn)象：

1.軸系主軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)性的疲勞斷裂;

2.軸系中的連接部件，如軸系的連接螺栓等等發(fā)生損壞，以致斷裂;

3.軸系中各附件如油泵等的連接軸產(chǎn)生多發(fā)性的扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂;

4.葉輪的輪轂和主軸的連接螺紋緊固件等發(fā)生磨損、磨松或斷裂;

5.軸系中局部軸發(fā)生過熱現(xiàn)象;

6.引起增速齒輪箱傳動齒輪的脫開-沖擊或齒輪傳動部位發(fā)生點蝕、噪聲以致齒牙折斷;

7.引起各滾動軸承滾柱、滾珠與保持架脫開、沖擊以致?lián)p壞;

8.使軸系中的各種過盈配合或紅套部位發(fā)生嚴(yán)重松動(如過盈配合或紅套的軸承的內(nèi)外圈松動至跑圈)、錯位現(xiàn)象;

9.機(jī)組產(chǎn)生縱向和橫向振動;

10.機(jī)組的發(fā)電機(jī)裝置發(fā)生嚴(yán)重的運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，導(dǎo)致電壓脈動，影響電氣設(shè)備工作不正常。

以上各種由于扭轉(zhuǎn)振動引起的事故，根據(jù)低頻扭轉(zhuǎn)振動的強烈程度，有時僅出現(xiàn)一種，有時同時出現(xiàn)多種。

一、把風(fēng)力機(jī)簡化為雙質(zhì)量系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)傳動裝置的雙質(zhì)量系統(tǒng)簡圖中風(fēng)輪部分的當(dāng)量慣量為I1、發(fā)電機(jī)(或+齒輪箱部分)的轉(zhuǎn)動慣量為I2，它們之間的剛度為K1，2。

在某風(fēng)速下在風(fēng)輪部分作用一當(dāng)量的激勵扭矩的低頻扭轉(zhuǎn)振動特性是：

 

風(fēng)輪I1 發(fā)電機(jī)(或+齒輪箱)I2

簡化風(fēng)力機(jī)主傳動裝置的雙質(zhì)量系統(tǒng)當(dāng)量圖

風(fēng)力機(jī)傳動裝置的雙質(zhì)量系統(tǒng)中，兩個質(zhì)量的振幅成反向，即a2=(-I1/I2)×a1，兩振幅之比與兩慣量之值成反比。只要大慣量風(fēng)輪有微小的振幅，后面小慣量的主軸承、齒輪、齒輪箱軸承、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)軸承的振幅就會被放大——相當(dāng)于一個動力放大器。

風(fēng)力機(jī)傳動裝置之所以會產(chǎn)生低頻扭轉(zhuǎn)振動，其根本原因在于風(fēng)力機(jī)傳動裝置的軸系是低轉(zhuǎn)速，不但具有轉(zhuǎn)動慣量特性，而且還具有扭轉(zhuǎn)的彈性特性，這種慣量與彈性的適當(dāng)組合使得軸系具有固有的低頻扭轉(zhuǎn)振動特性。

由于風(fēng)力機(jī)大慣量風(fēng)輪的慣量會隨其葉輪直徑最高點的風(fēng)速、風(fēng)壓、大氣溫度的變化而變化，所以其低頻扭轉(zhuǎn)振動特性也會隨之變化，其低頻扭轉(zhuǎn)振動特性是非線性的。

作為風(fēng)力機(jī)，由于其葉輪葉片工作的周期性性質(zhì)，使得作用于軸系上的扭矩為一周期性的簡諧扭矩，而形成激勵源，當(dāng)激勵力的頻率與其固有的振動頻率相同時，就會產(chǎn)生“共振”現(xiàn)象，將使低頻扭轉(zhuǎn)振動得到巨大的動態(tài)放大作用，從而大大增加了軸系中所受到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，導(dǎo)致軸系發(fā)生各種事故。

目前有99%風(fēng)力機(jī)是剛性傳動的雙質(zhì)量系統(tǒng)，它們都有個共同點：其系統(tǒng)的首部均為大慣量，艉均為小慣量。這樣只要大慣量風(fēng)輪有微小的振幅，后面小慣量的振幅就會成百倍到上十萬倍地增大。

 

二、低頻扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的損壞表現(xiàn)

實際風(fēng)力機(jī)傳動軸系裝置不同于扭擺。它屬于兩端都是自由的所謂“自由-自由”系統(tǒng)。各點的振幅都會很大。這種系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)時，將產(chǎn)生“滾振”現(xiàn)象。理論及實踐上都證明“滾振”現(xiàn)象隨工作轉(zhuǎn)速的降低而增大。即“滾振”是屬于低頻也就是低轉(zhuǎn)速范疇內(nèi)的問題，實際上風(fēng)力機(jī)主傳動軸系-風(fēng)輪是在低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，一般都在十多轉(zhuǎn)/每分鐘。但是風(fēng)力機(jī)傳動軸系較短，在風(fēng)力機(jī)大部分甚至全部運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的“滾振”反而可能會變成為風(fēng)力機(jī)低頻扭轉(zhuǎn)振動的主要表現(xiàn)。

由于低頻扭振破壞屬于疲勞破壞，除了低頻扭振應(yīng)力很大時，大部分情況是要經(jīng)過一段時間使用才有損壞現(xiàn)象出現(xiàn)，這樣就更容易被人們所忽視。當(dāng)風(fēng)力機(jī)經(jīng)常運轉(zhuǎn)在非線性的低頻扭振臨界轉(zhuǎn)速時，一般容易出現(xiàn)的現(xiàn)象為風(fēng)力機(jī)的增速齒輪箱噪聲大，齒面容易出現(xiàn)點蝕、剝落等摩損現(xiàn)象，嚴(yán)重的會出現(xiàn)斷齒螺栓折斷及滾動軸承跑圈，滾子、保持架損壞等事故。可以使軸系中某些位置經(jīng)數(shù)分鐘運轉(zhuǎn)即發(fā)熱，或造成軸折斷等事故，當(dāng)然低頻扭轉(zhuǎn)振動并不是不可能反映在風(fēng)力機(jī)振動上，例如系統(tǒng)中有增速齒輪箱而且低頻扭振比較嚴(yán)重時，當(dāng)?shù)皖l扭振交變力矩瞬時超過傳遞平均扭矩時，嚙合齒輪會出現(xiàn)瞬時脫離現(xiàn)象造成輪齒的沖擊-敲擊。由于齒輪的沖擊，使增速齒輪箱承受很大的扭矩，通過底座傳到機(jī)座，也會造成風(fēng)力機(jī)總振動或局部振動，以至造成風(fēng)力機(jī)損壞事故。

主傳動鏈故障次要原因——微動磨損

風(fēng)力機(jī)存在振動，有振動就有微動磨損。

微動磨損普遍存在于機(jī)械行業(yè)、核反應(yīng)堆、航空航天、橋梁工程、汽車、鐵路、船舶、電力工業(yè)、風(fēng)力機(jī)、電信裝備和人工植入器官等領(lǐng)域的緊配合部件中，隨著高科技領(lǐng)域?qū)Ω呔取㈤L壽命和高可靠性的要求，以及各種工況條件的苛刻，微動損傷的危害日益凸現(xiàn)。微動損傷現(xiàn)已成為一些關(guān)鍵零部件失效的主要原因之一，甚至稱之為“工業(yè)癌癥”。

由于機(jī)械、流體、熱循環(huán)、電磁等引起的振動，微動磨損普遍存在于看似“靜止”的各種間隙或緊配合的接觸界面。

(1)微動磨損會造成各種連接件，包括各種螺栓、鉚釘、銷連接和搭接，微動損傷松動、失效。

(2)微動磨損會造成各種緊固機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)產(chǎn)生微動疲勞裂紋。

(3)微動磨損會造成各種榫槽配合、花鍵配合發(fā)生的微動疲勞損傷(風(fēng)力機(jī)行星傳動就有花鍵與花鍵槽配合)。

(4)微動磨損會造成各種繩索類構(gòu)件(如風(fēng)力機(jī)的電纜、鋼絲繩、斜拉索等)發(fā)生微動疲勞損傷。

(5)微動磨損會造成各種過盈配合，如輪軸類部件。如滾動軸承內(nèi)/外圈與軸/軸承座發(fā)生微動疲勞斷裂、松動、跑圈，即軸冷切。

(6)微動磨損會造成各種間隙配合發(fā)生微動損傷。

(7)微動磨損會造成各種彈性支撐機(jī)構(gòu)發(fā)生微動損傷。

(8)微動磨損會使置于振動環(huán)境下堆積的零件，在運輸過程中在局部地區(qū)發(fā)生微動磨損，造成表面擦傷。

(9)微動磨損會使?jié)L珠/滾柱軸承的滾珠/滾柱在承受法向交變載荷后在內(nèi)外滾道上留下通常被稱為“偽布氏壓痕”的圓形凹坑狀微動損傷。

(10)微動磨損會使各種人工植入件，如人工關(guān)節(jié)與骨刺處在人體運動時發(fā)生微動磨損，因微動損傷造成松動或斷裂等。

(11)微動磨損會使各種電接觸部件，部分儀器設(shè)備中的電接觸件在機(jī)械振動、電磁作用、熱波動下導(dǎo)致表面微動損傷、信號失真或失靈。

(12)微動磨損會使核工業(yè)的燃料棒組件彈性支撐機(jī)構(gòu)和蒸汽發(fā)生器及熱交換器發(fā)生微動損傷。

在工程實際中判斷是否發(fā)生了微動損傷，一般可通過如下4個步驟進(jìn)行:

(1)判斷是否有振動源或承受交變載荷——微動發(fā)生的內(nèi)因。

(2)判斷損傷是否發(fā)生在名義上靜止的緊配合界面上——微動產(chǎn)生的必要條件。

(3)判斷是否存在微動損傷的表面形貌。

(4)判斷磨屑的特征。

主傳動鏈故障第三個原因——載荷譜設(shè)計偏離實際。

風(fēng)力機(jī)設(shè)計階段，其載荷譜是按傳統(tǒng)的思維考慮——沒有從動態(tài)考慮實際風(fēng)況的頻繁突變以及異常變化的時變性、波動性、間歇性。工況異常變化引起的異常瞬態(tài)工況(其異常瞬態(tài)載荷會比假設(shè)的極端載荷大得多)載荷變化越快，其軸承的PVmax值就越大，轉(zhuǎn)子和軸承的耦合會使PVmax值變得更大，保持架滑動率、滾子的滑動率、軸承的PVmax值會出現(xiàn)瞬時較大的現(xiàn)象，這時軸承將出現(xiàn)瞬時高溫、磨損等現(xiàn)象，這將引起軸承失效。同時異常瞬態(tài)工況引起磨擦副間油膜破壞→磨擦副間半干磨擦(或干磨擦)→磨擦副微點蝕/磨損→磨擦副軸向開裂損傷→磨擦副蠕動或跑圈/軸承或輪齒失效。

目前載荷譜僅考慮正常運轉(zhuǎn)工況下的安全設(shè)計余量，不是按DfR進(jìn)行可靠性設(shè)計，使設(shè)計的產(chǎn)品實際承受應(yīng)力大于材料強度的概率盡量減小，即使產(chǎn)品的設(shè)計達(dá)到可靠性的要求原則。

未充分考慮異常風(fēng)的瞬時工況，如風(fēng)速瞬時在變、風(fēng)機(jī)急停、急啟時等情況下產(chǎn)生的異常瞬時沖擊載荷大大超過設(shè)計極限載荷(國外已測出超過3到5倍極限載荷)，風(fēng)力機(jī)長期在異常沖擊載荷、交變載荷作用下，極大影響磨擦副各零件的剛度和形變量，改變了磨擦副零件配合精度，降低了其疲勞壽命。

現(xiàn)在不管哪種風(fēng)力機(jī)出了故障、整機(jī)設(shè)計廠很少從自身傳動系統(tǒng)找原因、總把責(zé)任推到齒輪箱、推到軸承或其他方面去，這是不公平的。 整機(jī)設(shè)計廠總認(rèn)為目前所使用的剛性傳動系統(tǒng)是最好的，其實不然。

目前風(fēng)力機(jī)這個問題表現(xiàn)在主軸承、齒輪箱軸承、變槳軸承甚至輪齒上，實際上是已觸及到風(fēng)力發(fā)電設(shè)備設(shè)計的核心：風(fēng)力機(jī)的傳動系統(tǒng)的設(shè)計、風(fēng)力機(jī)的載荷譜、風(fēng)力機(jī)的控制策略以及風(fēng)力機(jī)設(shè)計軟件的可靠性等。

幾點建議

1.按DfR的評估方法(IEEE 1624評估、AIAG計分評估法)用最流行的軟件可靠性評估工具CASRE(計算機(jī)輔助軟件可靠性評估)評估目前風(fēng)力機(jī)所用的設(shè)計軟件可靠性。

2.建議在目前已有的和新設(shè)計的風(fēng)力機(jī)主傳動系統(tǒng)中加裝不同型號、低頻、非線性扭轉(zhuǎn)振動減振阻尼裝置。

3.建議風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)應(yīng)需破除技術(shù)慣性并加強創(chuàng)新。

4.建議推廣國家科技部863項目——復(fù)合行星傳動裝置+液力變矩傳動技術(shù)就是柔性傳動系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行深入調(diào)研。

目前國內(nèi)已有27臺使用了七年的復(fù)合行星傳動裝置+液力變矩傳動技術(shù)(其低增比(1:30)齒輪箱用Romax軟件設(shè)計dBA=88)的同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中兩臺樣機(jī)七年來可利用率達(dá)到99%。

它能回收5%～8%功率，重量比同樣功率少20%、體積減少15%，能吸收和降低風(fēng)力機(jī)異常瞬時沖擊載荷的電網(wǎng)友好型的傳動系統(tǒng)的同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)(印度開發(fā)商曾前來國內(nèi)某風(fēng)場考查過該技術(shù)、并和相關(guān)制造廠洽談同時要求買斷該機(jī)型在南亞銷售權(quán))。

有自動換擋小汽車的都體驗到，小汽車自動換擋就是變速齒箱+液力變矩的傳動裝置，其變速齒箱都是很可靠的，原因就是該傳動系統(tǒng)有液力變矩的傳動裝置、液力變矩的傳動裝置不是直驅(qū)機(jī)或雙饋機(jī)那樣的剛性傳動，而是可以吸振和減振的柔性傳動系統(tǒng)。

5.建議從風(fēng)電齒輪箱制造廠講，是否可改變現(xiàn)行對風(fēng)電齒輪箱的試驗考核方法，使其盡量回歸到其實際的運行工況。例如筆者在九年前先后在國內(nèi)兩家風(fēng)電齒輪箱制造廠所作過的按1200個循環(huán)(5%→100%→5%→100%)、275小時變工況考核(其中100%共250小時)的試驗。

6.風(fēng)力機(jī)的控制策略要優(yōu)化到盡可能限制或減少對風(fēng)力機(jī)傳動軸系-軸承系統(tǒng)突然加載。

尤其是高速軸承的工況交變嚴(yán)重時會使高速軸系轉(zhuǎn)子和高速軸承耦合。

7.應(yīng)規(guī)范風(fēng)力機(jī)葉片其靜/動平衡要求

目前國內(nèi)制造的風(fēng)力機(jī)葉片均未規(guī)范其靜/動平衡要求，而會使風(fēng)力機(jī)頻繁地在某些轉(zhuǎn)速時存在不平衡激勵而引發(fā)不平衡振動造成慢變故障，即可使風(fēng)力機(jī)整個傳動系統(tǒng)產(chǎn)生不平衡響應(yīng)引起軸承和輪齒的失效。

筆者認(rèn)為提高風(fēng)電齒輪箱及軸承的可靠性，除了風(fēng)電齒輪箱廠、軸承廠的努力外，整機(jī)廠的整機(jī)主傳動系統(tǒng)的可靠性設(shè)計才是重要的一環(huán)。希望整機(jī)廠能夠給予重視。

原標(biāo)題:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動鏈部件失效不是中國的專利 ——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動鏈部件失效原因分析