转载--660MW机组汽轮机#5轴承金属温度故障分析

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。

热电阻材料热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

热电阻的结构型式：将电阻丝绕制(采用双线无感绕法)在具有一定形状的支架上，这个整体便称为电阻体。电阻体要求做得体积小，而且受热膨胀时，电阻丝应该不产生附加应力。

轴承测温使用的热电阻基本上都是pt100热电阻它与普通型热电阻相比，它有下列优点：　　①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；　　②机械性能好、耐振，抗冲击；　　③能弯曲，便于安装　　④使用寿命长。

2 汽轮机轴承的温度监视的重要性

汽轮机轴承也叫径向轴承，它承载转子的全部质量及由于转子质量不平衡引起的离心力，并确定转子在汽缸中的正确径向位置使其中心与汽缸中心保持一致。

汽轮机轴承温度是机组的重要监视参数，因为轴承温度太高，会引起金属的热应力增大，对机组本身影响很大。由于轴承温度升高，金属会产生膨胀，而汽轮机一般有多个轴承支撑转子，某一处发生膨胀，导致转子中心不一致，高速旋转会发生振动，影响汽轮机的寿命。

轴承温度太低，由于转子旋转会产生热量，会传给轴承，造成轴承受热不均，影响金属的寿命。

汽轮机轴承温度监视测点为隐蔽测点，属于重要参数，机组运行期间不能检验和更换。如果测点故障，汽轮机运行的重要参数将失去监视，不利于汽轮发电机组安全稳定运行，而且只能在机组停运时揭瓦更换。

3 轴承金属温度元件的安装方式

主机轴承温度元件的安装，都是采用压簧式感温元件，它抗振性能好，测温精度高，机械强度高，耐高温耐压性能好，性能可靠稳定。安装方式如下图。

瓦体有∮6.5孔，采用∮6×20的pt100表面热电阻元件，通过弹簧3、厚0.5垫片、厚1mm压板4穿出引线，用 M3×10的半圆头螺栓2、弹簧垫圈固定在瓦体上。

4 660MW机组汽轮机#5轴承金属温度情况

#5轴承在两个下瓦块安装温度测点，每个瓦块安装两个双支热电阻元件测点，共安装4支双支热电阻元件，瓦块1元件编号轴承金属温度1、2，瓦块2元件编号轴承金属温度3、4。

缺陷：#5轴承金属温度2跳变 ，经检查#5轴承金属温度2测点坏，更换#5轴承金属温度2备用测点后正常。

第二天#5轴承金属温度1显示72℃、2显示95℃，轴承金属温度1、2偏差大显示不准，后检查金属温度2备用测点也损坏。

第三天#5轴承金属温度3、4测点相继故障，就地检查元件包括备用点均损坏。

在随后利用机组停机的机会，揭开瓦盖后对#5轴承金属温度元件1－4的安装及走线进行检查发现线路在布线卡处有两处磨损，造成#5轴承金属温度2线芯断裂，而#5轴承金属温度3、4在瓦体穿线处铰接磨损造成元件引线断裂失灵。

经更换新元件，做好布线、引线防护后，恢复测量系统。

5 产生的原因

5.1 引线布置采用∮10管卡，温度引线、振动引线较多，固定卡子紧固后将引线外皮损伤、运行中磨断引线造成测量失灵。

5.2 元件经过瓦体的引出采用螺口连接，中间采用胶皮厚垫穿线，胶皮厚垫长期运行容易硬化，在紧固螺口时造成引线随同旋转，内部引线铰接，出口部分引线拧成部分的芯线连接磨损，运行中振动引线断裂，造成测量失灵。

6 采取的措施

6.1 轴瓦内部布线要走在瓦线槽内。

6.2 出瓦处的引线采用耐油材料密封后再进行紧固。

6.3 中间走线部分的固定卡子处，采用黄蜡管进行防护后再固定，引出线尽量在弯处要保持圆弧状。

6.4 元件采用整支元件，避免中间接线。引出基础的部分也要做好防磨，避免漏油，采用密封件密封处理，防止机组正常运行时润滑油渗漏。

6.5 接线盒安装在汽机基础的平台内部，接线端子应完整，接线紧固并做好密封处理防止有油渗入。

6.6 若遇机务翻瓦检查可将螺口连接胶皮厚垫进行更换。在机组停机揭开瓦盖的条件下对其它轴承金属温度的出线及布线、穿线进行检查，应没有磨损、布线牢固、穿线密封，测量值正常。

作者：国电电力大同发电有限责任公司热控分公司 郑炜

大功率风电齿轮箱轴承试验和检测技术

大功率风电齿轮箱轴承试验和

检测技术

摘要 ：针对大功率风电齿轮箱轴承亟需一套完善的试验和检测技术的需求,以某机型行星轮圆锥滚子轴承为例阐述了轴承试验原理和试验方法,并在试验结束后对轴承零件进行检测。试验机传感器记录和轴承零件检测结果表明,试验过程中试验平台运行稳定,试验结束后轴承各零件接触面状况良好,无剥落、高温变色等现象,该型号轴承满足设计目的,符合相关国家标准要求,得到齿轮箱厂家的认可,证明了所采用的试验方案及检测技术的可行性。

关键词 ：滚动轴承;风电轴承;风力发电机组;圆锥滚子轴承;试验机

国际权威媒体杂志Windpower Monthly公布的2021年度全球最佳风电机组评选中,最佳大功率陆上风电机组前十中有3个采用中速传动技术，5个采用高速传动技术，而采用直驱技术的只有2个, 说明使用齿轮箱传动的双馈和半直驱技术的大功率陆上风机已然是现阶段的主要发展方向。

随着风机单机功率向大型化发展,为使风机的传动链结构紧凑,通常会将齿轮箱、主轴甚至发电机集成于一体,从而降低风机重量和成本。机组的大型化对风电齿轮箱的可靠性、可维护性及重量提出了特殊要求,此外,我国风电行业现存问题之一就是缺乏一套完善的检测认证体系,其根本原因是检测试验水平跟不上制造水平的发展。目前,4.7 MW以上的大功率风电齿轮箱轴承国产化率较低,制约其发展的主要原因就是无法开展轴承可靠性和使用寿命试验验证,导致主机厂不愿承担采用国产轴承的风险,风电业主更不愿意因相比总投资额而言微小的价格优势选择国产轴承,而国内轴承企业又拿不出自家轴承满足要求的有力数据,因此就形成了大轴承的国产化工作无法开展的尴尬局面。但随着全球贸易冲突加剧,风电全球产业链受到严重冲击,进口轴承无法按时交货且海运运力紧张,迫使风电业主把目光再次投向国产轴承,早日掌握大功率风电齿轮箱轴承试验技术,成为国内轴承企业打开新市场的敲门砖。因此本文以某机型行星轮圆锥滚子轴承为例,设计了试验方案和检测技术,并通过对试验过程中轴承状态的监测以及试验结束后轴承零件的检测证明所采用试验方案及试验技术的可行性。

1 风电齿轮箱轴承简介

风力发电机组(图1)中齿轮箱的主要功能是将风轮在风力作用下产生的动力传递给发电机并使其达到相应的转速。通常风轮的转速很低,远远达不到发电机发电所要求的转速,需经齿轮箱内部传动将叶片的转速提升100倍以上,使其能与发电机发电转速相匹配而正常发电。由于风力发电机组通常安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处,受无规律的变向、变载的风力作用,使用环境恶劣和维修成本高都对其可靠性和使用寿命提出比一般机械高得多的要求[1]。

1—风轮;2—齿轮箱;3—发电机。

图1 风力发电机组剖面图

Fig.1 Section diagram of wind turbine

风电齿轮箱轴承并非单指齿轮箱中的某一套轴承,而是对如图2所示齿轮箱内部行星轮结构中的多套轴承的统称。以圆锥滚子轴承(图3)为例,需要测试轴承在工作极限载荷下的静承载能力和疲劳载荷下的运转性能是否满足主机厂家要求,检测项目参考GB/T 24607—2009《滚动轴承 寿命与可靠性试验及评定》[2]。

图2 行星轮结构简图

Fig.2 Structure diagram of planetary gear

图3 某齿轮箱轴承的平面视图和三维模型

Fig.3 Plane view and three-dimensional model of a speed increasing gearbox bearing

2 轴承试验原理

轴承试验的核心原理是通过模拟轴承的实际工况对其性能及运行寿命进行测试。滚动轴承试验数据和应用数据的离散程度通常很大,但又难以找到高效率,低成本,一致性好的评价方法,尤其对于大型长寿命轴承的试验评价,往往以功能试验为主。

基于风电轴承20 a的设计寿命,以年为单位的试验时间是无法被接受的。为提高效率,缩短试验时间,行业中提出了轴承强化试验的概念。轴承强化试验又被称作等效疲劳试验,其原理是通过加快转速和增大载荷让轴承在相对较短的时间达到与理论寿命相同的损伤率。疲劳试验公式为

式中:

为设计预期的等效载荷,kN;p为寿命指数,滚子轴承取10/3;N为旋转次数;Pi为试验加载的等效载荷,kN;Ni为试验轴承旋转的总旋转次数(Pi在此期间作用);ni为试验轴承转速,r/min;t为试验时间,h。

以某型风电行星轮轴承试验为例,轴承的修正寿命为175 000 h,等效载荷为662 kN,正常转速约30 r/min,各试验方案所得修正寿命结果见表1:如果试验机按照200 r/min转速进行加速疲劳试验,轴承需运行26 250 h;若按300 r/min转速进行加速疲劳试验,轴承需运行17 500 h;如果同时加速、加载进行轴承强化试验,只需1 640 h,即轴承工作20 a的全工作寿命时间。

表1 试验方案对比

Tab.1Comparison of test schemes

3 试验

3.1 试验平台

风电齿轮箱具有多级传动增速功能,轴承的工作转速从15 r/min到2 500 r/min,转速跨越大,同时由于风速的不可控,风电齿轮箱轴承是一种承受随机载荷的重载轴承,因此试验中需要轴承在频繁变载、变速甚至变换转动方向的同时在承受拉力与压力之间相互切换,这些都对试验平台提出了更高的要求[3]。

试验平台主体是试验机的核心部件,由上下箱体、试验轴系、径向加载部分、轴向加载部分共同组成[4],本文所用试验平台主体如图4所示。

3.1.1 轴承驱动方式

不同型号的试验轴承额定转速范围为15～2 500 r/min,轴承疲劳载荷极限最高达1 500 kN,各项要求跨度大。通过计算试验轴系的摩擦力最终选择2套方案:针对额定转速较低的轴承使用45 kW电动机加减速器,电动机额定扭矩为291 N·m,额定转速为1 480 r/min,减速机减速比为12.83;针对额定转速较高的轴承则选择160 kW的电动机直带,电动机额定扭矩为1 019 N·m,额定转速为1 490 r/min。

3.1.2 轴承加载方式

如图4所示,通过径向液压油缸连接加载杆对轴承的固定外圈施加一个垂直向下的载荷模拟轴承内圈转动过程中受到的径向拉力和压力,轴承的轴向加载通过对固定在轴承外圈端面的加载盘施加拉力或压力间接模拟[5]。

1—试验轴系;2—试验轴承;3—径向加载部分;4—上箱体;5—轴向加载部分;6—下箱体。

图4 试验平台的主体部分

Fig.4 Main part of test platform

在加载油缸和加载杆中间连接位置加装一个拉压力传感器,采集轴承载荷实时数据的同时给液压阀提供反馈,通过内置在伺服比例阀集成放大板内的软件对液压油的压力进行PID调节,以保证压力的稳定性和持续性。

3.1.3 轴承润滑方式

齿轮箱轴承在转动过程中滚道与滚动体之间存在滚动摩擦和滑动摩擦,因此轴承润滑油不仅需要起到润滑(形成油膜,减噪、吸振、减少摩擦等)作用还需要带走摩擦产生的热量给轴承降温。

试验中使用喷射润滑的形式,通过润滑油泵从润滑油箱中抽出润滑油,润滑油管从轴承上端将润滑油喷入轴承内外圈中间,随着轴承的转动使润滑油形成油膜并均匀覆盖于滚道与滚动体之间,又因重力的作用流入下箱体并带走污染物,最后通过回油泵强制回油到润滑油箱中。

润滑油选择与实际工况一致的320号重载荷工业润滑油,其物理性能参数见表2,该润滑油抗磨损性能优越,能延长轴承寿命,因此被广泛应用于齿轮箱内部,但伴随其优越性能而来的是超高的黏稠度,室温15 ℃以下时开机前需加热润滑油至35 ℃才能保证试验机正常运行,试验机运行后润滑油会带走轴承产生的热量并循环润滑,因此无需继续加热。

表2 320号润滑油的物理性能参数

Tab.2Physical performance parameters of No.320 lubricating oil

由于润滑油的清洁度过低会增加滚道间的摩擦,间接导致轴承的磨损,因此润滑油箱的出油口和回油口都需要安装过滤器。

3.2 数据采集

风电齿轮箱轴承的主要失效形式有疲劳剥落、永久变形和磨损。疲劳剥落是轴承套圈与滚动体的接触表面经受交变载荷作用而产生的失效形式,一般情况下,首先在表面产生细小裂纹,裂纹逐渐增大出现材料剥落,产生麻点,最后造成大面积剥落,此过程中表面粗糙度逐渐增大,轴承的振动和温升持续升高;永久变形使轴承在运转中产生剧烈的振动和噪声;磨损使轴承游隙增大,配合不紧密,进而使噪声和振动增大。这些变化过程均可以被传感器监测到,因此测量试验轴承的振动和温升成为反应轴承实时状态最直观的依据,而异常的振动和温升发现也能帮助在轴承发生故障或严重损坏之前提前预警[6]。

3.2.1 轴承振动测量

试验过程中轴承需要频繁且大范围的变速,在低转速时主要参考速度传感器数值来反应振动的能量,高转速时参考加速度传感器数值来反应冲击力,因此选用加速度传感器和速度传感器分别测量试验轴承在不同转速下的振动,加速度传感器量程为100 m/s2,速度传感器量程为100 m/s,精度均为±5%。

振动数据对采集频率和精度要求极高,因此选择NI公司的高速动态信号采集模块,再经专业的振动分析软件进行信号调理。振动采集的核心设备是NI cDAQ-9185机箱搭配NI 9234动态信号采集卡,振动采集模块输出的高频数据经数据采集分析软件NI-DAQmx进行信号处理,最终得到轴承振动的实时值与振动曲线图。

3.2.2 轴承温度测量

由于风电齿轮箱配备有加热装置以应对极端低温的影响,同时轴承转动中也会产生热量,因此轴承正常工作温度高于零度。温度测量使用WZ/P-DL型铂热电阻温度传感器,量程范围为0～250 ℃,其工作原理基于金属铂导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性,配合套装中的调理模块输出0～20 mA电流信号,再输入S7-1200系列PLC转换成数字信号。

3.3 试验过程控制

以某机型齿轮箱行星轮轴承为例进行轴承可靠性试验,该型号轴承相关参数见表3。

表3 试验轴承的相关参数

Tab.3Relevant parameters of test bearings

试验轴承恒速、变速及静载试验的载荷谱见表4、表5和表6,表5需要循环200次,表4和表6只进行1次循环。其中恒速运转载荷采用用于疲劳寿命预测的低循环疲劳载荷谱(LDD)中的当量载荷,变速运转载荷采用LDD疲劳载荷中的最小载荷,静载试验轴向载荷为轴承轴向极限载荷。静载试验的目的是测试最大静态工况时的轴承是否会出现滚道压溃、裂纹等异常现象, 确保轴承在最大静载荷下应用的安全可靠性。

表4 轴承恒速运转试验载荷谱

Tab.4Load spectrum of constant speed operation test for bearings

表5 轴承变速运转试验载荷谱

Tab.5Load spectrum of variable speed operation test for bearings

表6 轴承静载试验载荷谱

Tab.6Load spectrum of static load test for bearings

恒速试验持续时间长且转速和载荷值固定,过程纪录可反映轴承状态。由于高频率的数据采集会产生大量数据,因此在恒速试验中试验平台设置为每3 min采样1次,选取恒速试验第418 h的一次开机记录生成试验轴承振动曲线和温度曲线,分别如图5和图6所示,此次运行持续时间22 h,共采集了441组数据。

图5 试验轴承的振动曲线

Fig.5 Vibration curve of test bearings

图6 试验轴承的温度曲线

Fig.6 Temperature curve of test bearings

由图5可知,试验平台开机后振动值随时间呈现波动性变化但总体为升高趋势,在第387 min时达到峰值,之后逐渐趋于稳定,试验过程正常。

由图6可知,试验轴承达到最高温度58.43 ℃后温度曲线趋于平稳,试验过程中室温为22.73 ℃,因此试验轴承最大温升为35.7 ℃。

除使用温度和振动传感器了解试验中轴承状态以外,还通过采用听筒耳听的方式监测轴承有无卡阻点,同时试验过程中轴承转速、工作载荷、润滑油温等各项参数也达到试验方案要求。

4 试验后轴承零件检测

试验完成后,待轴承自然降至室温时,采用冷拆卸方式拆下轴承。轴承清洗后处理步骤如下:轴承拆套,检查内外圈滚道、挡边接触状况,滚道是否存在压痕、压溃、压坑等现象,检查保持架与滚子的接触情况,检查滚子表面是否有压痕、剥落等现象。试验前后轴承检测图片对比如图7所示(左图为试验前,右图为试验后),试验前后零件表面粗糙度检测结果见表7。

(a) 内圈滚道

(b) 内圈滚道挡边

(c) 外圈滚道

(d) 保持架

(e) 滚子滚动面

(f) 滚子球基面

图7 试验前后轴承零件检测图片对比

Fig.7 Comparison of inspection images of bearing parts before and after test

表7 试验前后轴承零件表面粗糙度检测结果

Tab.7Result of surface roughness detection of bearing parts before and after test

对比试验前后轴承零件外观可以发现:滚子与挡边接触状况良好,无点蚀、剥落、高温变色等现象;滚道与滚子接触状况良好,无点蚀、剥落、高温变色等现象;保持架无变形,兜孔与滚子接触良好,无磨损迹象;滚子无点蚀、高温变色等现象。依据GB/T 24607—2009的要求,试验数据和检测结果可证实轴承达到设计目的,满足用户要求。

5 结束语

本文以某型风电机组齿轮箱行星轮圆锥滚子轴承为例阐述了轴承试验原理和试验方法,通过对试验过程中轴承状态的监测以及试验结束后轴承零件的检测,证明了本次试验方案及试验技术的可行性。试验过程中试验平台运行稳定,能够有效模拟大功率风电机组齿轮箱轴承的实际运行工况,转速、载荷和润滑油的控制符合试验方案要求,试验轴承的温度和振动数据采集及时准确,试验结束后轴承套圈及滚子工作面基体金属未出现疲劳剥落。

相关问答

轴承钢的磁导率是指钢材在外加磁场下受到磁化的程度。一般来说,轴承钢的磁导率较低,主要是因为轴承钢属于非镁铝合金系列,没有铁磁性。此外,轴承钢中添加的合...

[回答]转向车轮外倾角还能抵消前桥因负荷过重而发生变形的影响,或抵消转向节滚动轴承、主铂滑动轴承及衬套的松旷,避免转向车轮内倾。转向车轮内倾时外轴...

[最佳回答]深沟球轴承的内外圈滚道都呈圆弧状深沟,沟道半径略大于球半径。主要用于承受径向载荷,也可承受一定的轴向载荷。当轴承的径向游隙加大时,具有角接...

960化工网化工问答问答详情铂、铱、锇、钌、钯、铑什么字网友1最佳答案回答者...钟表的轴承和笔尖、电灯丝等。读音:l释义:liào:钉在门窗上可以把门窗扣住的...

锇是元素周期表第六周期Ⅷ族元素,铂族金属成员之一,元素符号Os,原子序数76,相对原子质量190.2,属重铂族金属,是已知的密度最大的金属。锇可用来制造超高硬...

os是锇元素。锇元素的性质,在光的作用下易放出电子。遇水起剧烈作用,生成氢气和氢氧化铷。用于制造耐磨和耐腐蚀的硬质合金,以及合成氨和加氢反应中的催化剂...

锇同铑、钌、铱或铂的合金,用作电唱机、自来水笔尖及钟表和仪器中的轴承。元素辅助资料:锇属铂系元素。铂系元素几乎完全成单质状态存在,高度分散在各种矿石...

塞子+凹凸胶我们用耐油密封胶,效果还不错,就是太麻烦,机组揭一次盖,就得重新抹一次胶。是预埋式的热电阻还是普通铠装热电阻?难度机组上没有套管...

shou的称呼是:氢、钬、钅黑、氧、锇、铀。锇是元素周期表第六周期Ⅷ族元素,铂族金属成员之一。元素符号为Os,原子序数76,相对原子质量190.2。属重铂族金属,是...

Os表示锇元素。锇是元素周期表第六周期Ⅷ族元素,铂族金属成员之一。元素符号为Os,原子序数76,相对原子质量190.2。属重铂族金属,是目前已知的密度最大的金属...