風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其組件經(jīng)過精心設(shè)計(jì)可正常運(yùn)行20年以上,。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN ISO281的軸承額定壽命計(jì)算方法,，滾子軸承的壽命與(C1/P)10/3成正比，其中C為軸承額定動載荷,，P為工作載荷,。基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的額定動載荷及其預(yù)期工作載荷,，軸承應(yīng)在預(yù)期使用壽命內(nèi)具有高可靠性,，但實(shí)際上風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱軸承往往會在2~11年內(nèi)失效，主要由高速軸軸承,、中速軸軸承和行星輪軸承造成,。行星輪軸承失效成為主要問題，與可在塔樓上更換的高速軸和中速軸軸承不同,，行星輪軸承的更換需使用起重機(jī)拆卸,、運(yùn)輸和場外維修齒輪箱。停機(jī)期間的收人損失和更換的直接成本大大增加了風(fēng)力發(fā)電的成本,，這對化石燃料的需求,、CO2排放和能源可持續(xù)性具有不利影響。

 

齒輪箱軸承早期失效不是由于使用的材料不當(dāng)或設(shè)計(jì)與實(shí)踐結(jié)合不足，Musial 等人得出結(jié)論:對失效***可能的解釋是在設(shè)計(jì)過程中未考慮重要的載荷情況,。由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)載荷與壽命成反比,，因此合理地假設(shè)軸承早期失效由難以預(yù)測、建?；驒z測軸承過載所致,。暴風(fēng)、陣風(fēng),、啟停瞬態(tài),、電網(wǎng)故障以及風(fēng)切變對軸承載荷和可靠性均具有重大且不可預(yù)測的影響。

齒輪箱內(nèi)軸承

通過滑動,、滾動或兩者組合可描述2個(gè)接觸體之間的摩擦學(xué)相對運(yùn)動,。可用滑滾比(SRR)表征滾動體位于從滾動到滑動頻譜的某處位置,，純滾動和純滑動的SRR分別為0和2,。滑動往往造成快速且不可預(yù)測的磨損,，純滾動接觸的失效是滾動接觸疲勞的結(jié)果,，可通過DINISO281進(jìn)行預(yù)測。由于需要拖動力來維持滾動狀態(tài),，因此在低載荷下風(fēng)力發(fā)電機(jī)用圓柱滾子軸承的SRR會增加,。Kang等人的結(jié)果表明，當(dāng)C1/P由1增加到2000時(shí),，風(fēng)力發(fā)電機(jī)用圓柱滾子軸承的SRR會增加一個(gè)數(shù)量級或更多,。也就是說，當(dāng)額定動載荷比工作載荷大幾個(gè)數(shù)量級時(shí),，滑動變得更加普遍,。因此，為了防止過度打滑,、磨損和不可預(yù)期的軸承壽命縮短,，許多軸承制造商規(guī)定了***小額定載荷。

 

檢驗(yàn)分析表明軸承失效主要是由于過度打滑和磨損造成的麻點(diǎn),、涂抹和白蝕剝落,。Gould和Greco認(rèn)為軸承反作用力不足以提供滾動所需的拖動力。潛在的因素是風(fēng)速變化引起載荷的可變性,，軸承設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮軸承承受極端載荷的情況,，這種情況顯然極少發(fā)生。在更常見的風(fēng)速條件下,，當(dāng)載荷較低時(shí),，SRR增加,，過度打滑增加了軸承表面損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

 

Guo等人采用儀表傳動系統(tǒng)的直接測量結(jié)果表明行星傳動系統(tǒng)支承了由懸臂轉(zhuǎn)子重量,、風(fēng)切變,、偏航及其他潛在因素造成的大部分非扭矩載荷。使用齒輪箱可靠性協(xié)作(GRC)標(biāo)準(zhǔn)齒輪箱的機(jī)械動力學(xué)模型表明非扭矩載荷向行星傳動系統(tǒng)的傳遞主要與行星架圓柱軸承的游隙有關(guān),。Guo等人以及Gould和Burris 的獨(dú)立分析表明在行星架運(yùn)轉(zhuǎn)的不同階段,行星傳動系統(tǒng)的非扭矩載荷分配同時(shí)增加或減少了行星輪軸承反作用力,。行星傳動系統(tǒng)分配的非扭矩載荷進(jìn)一步降低了正常風(fēng)況下已經(jīng)很小的工作載荷,。常見的瞬態(tài)事件(如電網(wǎng)故障和陣風(fēng))可能使?jié)L動體突然打滑,，欠載導(dǎo)致軸承極易損傷。

根據(jù)先前的研究,，推測風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱軸承會由于過載,、欠載過度打滑或兩者結(jié)合而發(fā)生失效。盡管許多論文的主題強(qiáng)調(diào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱軸承多數(shù)由于過載而失效但通過對失效軸承進(jìn)行現(xiàn)場檢驗(yàn)分析表明,欠載對于行星輪軸承可能更加不利,。本文旨在闡明行星傳動系統(tǒng)的實(shí)際非扭矩載荷分配如何影響行星輪軸承載荷,，特別是在過載和.欠載的工況下以及其如何導(dǎo)致行星輪軸承早期失效。

結(jié)論與建議

作者研究分析了在實(shí)際風(fēng)況下,，典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中GRC標(biāo)準(zhǔn)齒輪箱的行星輪軸承載荷的可能范圍,。結(jié)果表明，無論風(fēng)速如何,，行星傳動系統(tǒng)的非扭矩載荷分配都會增加每個(gè)轉(zhuǎn)子周期內(nèi)行星輪軸承反作用力的***大值,，并減小反作用力的***小值。在沒有行星傳動系統(tǒng)非扭矩載荷分配的情況下,，行星輪軸承過載僅在風(fēng)速為13.5 ~ 14.5 m/s下發(fā)生,，欠載在風(fēng)速為4 ~5 m/s下發(fā)生。通過懸臂轉(zhuǎn)子重量的實(shí)際行星傳動系統(tǒng)載荷分配,，過載下風(fēng)速擴(kuò)展到12 ~19 m/s,欠載下風(fēng)速擴(kuò)展到4~7 m/s,。根據(jù)來自美國10個(gè)風(fēng)場已發(fā)布風(fēng)譜的分析，即使考慮到實(shí)際的非扭矩載荷分配,，***壞情況下行星輪軸承的疲勞壽命至少為42年,。10個(gè)風(fēng)場的行星輪軸承平均疲勞壽命為277年。在這相同的10個(gè)風(fēng)場中,，預(yù)計(jì)行星輪軸承每個(gè)周期內(nèi)有40% ~ 70%(平均61% )的時(shí)間欠載,。在欠載工況下，軸承可能失去拖動力,，造成打滑以致軸承表面損傷,，涂抹并***終在不可預(yù)知的時(shí)間失效。此外,，打滑過程中發(fā)生的表面損傷會縮短疲勞壽命并加速疲勞失效,。結(jié)果強(qiáng)調(diào)需要同時(shí)考慮軸承欠載和過載作為行星輪軸承早期失效的重要因素,。盡管為減輕打滑，可增加齒輪箱的額定載荷,，但這種變化會加劇軸承欠載的發(fā)生概率,，甚至可能縮短齒輪箱使用壽命。