风机发电机轴承精细化运行维护

【摘要】双馈异步风力发电机是早期应用最广泛的风力发电机，双馈异步风力发电机采用双轴承结构，即发电机驱动端、非驱动端各有一个轴承。随着投运年限的增长，机组出现发电机轴承温度高、振动异常、异响等问题并呈劣化趋势，成为困扰风电场运行维护的难题。本文结合风电场实际运行维护情况开展具体分析，研究双馈风力发电机轴承损坏的原因，在风力发电机组运行维护工作上制定精细化措施，使发电机轴承发挥最佳性能，延长使用寿命。【关键词】双馈风力发电机发电机轴承运行维护1.发电机轴承常见问题由于发电机轴承位于发电机内部，通常无法直接观察到轴承运行情况，一般风机检修和巡检也无法直接检查发电机轴承情况，在日常运维中可借助风机后台监控、在线振动监测系统等技术手段进行判断。一般发电机轴承异常情况有：轴承温度高告警：风电机组发电机在轴承端装有温度传感器，通过风机后台监控系统监测发电机轴承温度，可发现发电机轴承温度变化趋势，掌握轴承运行情况。当温度超过限值，监控系统发出轴承温度高告警。轴承异常振动预警：通过在线振动监测系统，实时监测发电机轴承振动情况，定期进行振动曲线分析，可发现轴承存在的异常情况。轴承异响缺陷：在风机定检、登机巡检过程中，设定发电机的运行转速，通过较高转速，测试查看发电机轴承在运行过程中异响情况。2.发电机轴承异常案例与分析2.1发电机轴承欠润滑损坏案例打开发电机端盖检查发电机轴承、轴承滚道内润滑油脂已消耗干净，仅在滚动体保持架表面附着一层油脂，并且油脂有氧化干涸现象，如图1-1、1-2所示。将发电机轴承拆下观察，内面与外面一致，油脂已消耗殆尽。在风机运行过程中，滚动体与内外圈干磨，失去润滑导致轴承异响、轴承温度高，加速轴承损坏。图1-1图1-22.2发电机轴承过润滑损坏案例打开发电机端盖，可发现发电机轴承周围覆盖一层油脂且呈褐黑色，说明油脂已变质失效，如图2-2所示。将轴承表面油脂擦干净，在保持架表面和滚动体周围有油脂凝固、板结现象，如图2-1所示。发电机过润滑会导致轴承温度过高，从而影响润滑脂的特性及质量，导致其流动性改变，最终可能出现凝固、板结，降低轴承的使用寿命。图2-1

图2-22.3发电机轴承润滑脂质量差导致损坏案例某风电场2022年7月完成发电机轴承更换工作，2022年11月通过在线振动系统监测分析发现发电机后轴承振动异常告警。打开发电机端盖检查，发现发电机轴承滚动体和保持架覆盖一层赤黄色油脂，油脂有干涸粉末状的现象，说明油脂已变质，如图3-1所示。将轴承拆下，发现在轴承内面润滑脂加脂口附近有金黄色润滑脂，质量正常，是自动润滑装置加注的油脂，如图3-2所示。鉴于该轴承仅更换4个月，所加新润滑脂呈干涸粉末状的现象，说明该润滑脂质量不合格。图3-1图3-2

3.发电机轴承异常问题的产生原因3.1发电机轴承润滑不良原因分析（1）轴承润滑油脂加注量不合适：发电机轴承润滑脂加注方式有两种，润滑油脂泵定时定量注入和定期手动定量注入。轴承油脂加注量一般风机厂家在维护手册都给予详细说明，但在轴承更换后首次润滑量较少说明。在实际维护中，定期手动定量注入，一次性注入润滑脂量多，容易造成轴承过润滑，导致轴承温度高，润滑油脂气化出现油脂分离，润滑油脂流动性改变，最终可能出现板结，影响润滑脂的特性及质量。润滑油脂泵定时定量注入则由于发电机轴承自动润滑装置故障并且未接入风机监控系统，造成长时间不注油，导致轴承欠润滑。发电机自动润滑装置损坏未及时修复，采用手动注入润滑油脂，又造成润滑油脂加注过量。（2）轴承润滑废油脂未及时排出：在现场实际运行维护中发现发电机轴承废油排出口容易堵塞，废油脂未及时排出，废油槽内只有油液。在高温条件下油脂分离，油液渗出，油脂中添加剂、稠化剂残留在轴承内，失去润滑作业，降低轴承寿命。（3）轴承润滑油脂质量不达标：国内润滑油脂质量参差不齐，同一厂家同一型号润滑油脂由于供货渠道不同，质量相差较大。润滑油脂质量不达标，轴承润滑不足，引起轴承温度高，加速轴承损坏，而高温又加速油脂失效。（4）轴承润滑油脂加注周期不合适：由于润滑油脂受温度影响大，风电机组由于安装地理位置不同，工作环境温度不同，轴承润滑脂加注周期也不同，需及时跟设备厂家沟通，调整油脂加注周期。3.2发电机轴承电腐蚀损坏原因分析双馈异步风力发电机在不同运行工况下出现电磁不平衡，产生轴电压。当轴电压较高时击穿润滑油膜形成轴电流，电流经过发电机轴承时产生电腐蚀，在轴承内圈、外圈和滚动体上形成微小凹槽，产生噪声和振动导致轴承失效。4.解决发电机轴承问题的精细化运行维护措施4.1确定发电机轴承润滑油脂加注量（1）发电机轴承首次润滑油脂加注量通常低速运转的轴承，其内的自由空间在安装过程中会完全充满润滑油脂。而作为高速运转的发电机轴承，其内的自由空间在安装过程中应填充部分润滑油脂为宜，具体量应根据轴承自由空间进行计算。对于带金属保持架的轴承，轴承内的自由空间体积约为：（不带保持架的轴承略低于公式算出值）V=轴承内的自由空间体积（cm3）B=轴承宽度（mm）D=外径（mm）d=内径（mm）M=轴承质量（kg）轴承润滑脂填充质量约为：m=润滑油脂加注重量V=轴承内的自由空间体积（cm3）ρ=润滑油脂密度（g/cm3）以某风电场采用的发电机陶瓷滚珠绝缘轴承为例，基本参数：轴承宽度B=65mm，外径D=320mm，内径d=150mm，轴承重量M=23kg。可计算得出轴承内的自由空间体积V=1127cm3润滑油脂的密度ρ约为0.8轴承润滑脂填充质量m≈900g（100%填充），在现场实际运行维护中，轴承首次加注润滑油脂质量为675g（即75%填充）时，效果最佳。（2）发电机轴承日常维护润滑油脂加注量根据预期的补充润滑两种方法：1）从轴承侧面进行补充润滑（如图4-1所示），填充润滑油脂为轴承座内自由空间体积的40%；补充润滑量：Gp=0.005DB2）通过内圈或外圈中间的润滑孔补充润滑（如图4-2所示），填充润滑油脂为轴承座内自由空间体积的20%，补充润滑量：Gp=0.002DBGp=补充的润滑脂量（g），D=轴承外径（mm），B=轴承宽度（mm）图4-1图4-2以风电场采用的发电机陶瓷滚珠绝缘轴承为例，基本参数：轴承宽度B=65mm，外径D=320mm，内径d=150mm，轴承重量M=23kg可计算得出轴承润滑油脂补充质量Gp=104g（3）发电机轴承润滑油脂补充周期图4-3预估补充周期tf计算方法为：Ndm系数乘以相应的轴承系数bf-n=转速（r/min）-dm平均直径(mm)=(D+d)/2-bf取决于轴承类型和载荷条件下的轴承系数载荷比C/P以风电场采用的发电机陶瓷滚珠绝缘轴承为例，基本参数：轴承宽度B=65mm，外径D=320mm，内径d=150mm，轴承重量M=23kgNdm系数=（320+150）*1500/2=352500通过图4-3对比可以看出润滑周期约为3.5至6个月。补充润滑周期tf是以矿物油为基础油的高品质锂基润滑脂在70℃的工作温度下，正常发挥作用时估算的正常工作小时数。高性能润滑油脂可以延长补充润滑周期和具有更长的润滑脂寿命。工作温度高于70℃到最高性能极限（HTPL）之间时，温度每升高15℃补充润滑周期减半；低于70℃时温度每降低15℃补充润滑周期延长至两倍。4.2发电机轴承自动润滑装置维护改造由于发电机轴承自动润滑装置故障信号未接入风机监控系统，自动润滑装置故障造成长时间不注油润滑。风电场将发电机轴承自动润滑装置故障信号接入风机PLC输入模块，在风机监控系统已告警的形式提醒运维人员进行维修。并根据泵芯、分配器、油管出油情况，定期进行清洗、排堵，清理油脂容器罩老化油脂。4.3清理发电机轴承排油口废油随着机组运行年限增长，轴承排油口堆积了大量油脂稠化剂等添加剂容易造成排油口堵塞，废油无法排出，影响轴承润滑。风电场结合风机定检对排油口、废油槽进行深度清理，陶废油。4.4清洗发电机轴承发电机轴承的欠润滑、过润滑、油脂质量不达标都在轴承内圈和保持架上残留已变质失效的润滑脂都会影响轴承润滑。清洗发电机轴承，可将轴承内润滑油脂彻底清洗干净，轴承清洁的接触表面可以增强润滑油膜对其的附着性，改善轴承润滑。但对于发电机轴承本体已出现损伤的情况，轴承清洗无改善情况。如图5-1，2019年2月23日清洗轴承后，轴承未出现改善情况，9月3日，更换轴承后，发电机非驱动端轴承温度趋于正常水平。图5-14.5优化发电机轴承安装工艺自主制作轴承更换工装，在安装发电机端盖及油封时使用专业工装平衡推进，避免传统铁锤敲击造成端盖与轴承受力不平衡，如图5-2所示。在发电机轴涂抹抗蠕动腐蚀剂，轴承拆装过程中避免损伤发电机轴及轴承，如图5-3所示。发电机轴承是过盈装配，安装过程中需要将发电机轴承加热，施工单位更多的使用电阻加热器，无温度控制、加热不均匀、只加热轴承内圈。使用专业感应式加热器，当轴承与轴的温差达到90℃时，是安装轴承的最佳温差，能够保障轴承的最大使用寿命，如图5-4所示。从左往右依次为：图5-2、图5-3、图5-44.6采用陶瓷滚珠绝缘轴承代替非绝缘轴承双馈异步发电机在不同运行工况下，电磁不平衡，产生轴电压形成轴电流。在轴电流经过轴承时，对轴承内圈、外圈、滚动体产生电腐蚀。采用陶瓷滚珠绝缘轴承，轴承内部滚动体为绝缘陶瓷材质，无法在轴承上形成电流回路，从而避免轴电流对轴承的电腐蚀。4.7定期清理发电机驱动端、非驱动端接地碳刷双馈异步发电机一般在驱动端与非驱动端均有接地碳刷，定期清理碳刷保障有效接地，可以将发电机轴感应电流导入大地，减少轴电流对轴承影响。5.结语发电机轴承故障处理时间长、成本高，对风电场效