风电齿轮箱轴承产生伪布氏压痕的原因分析及预防措施

杨扩岭 赵爱龙

摘要：齿轮箱是风力发电机组的关键部件之一，而轴承是齿轮箱中的关键部件。风电齿轮箱的长期放置和运输振动过程，容易使轴承产生伪布氏压痕，严重的伪布氏压痕将引起轴承滚动体和套圈应力集中，降低滚动体和轴承套圈的断裂强度，导致轴承损伤，损伤会进一步导致齿轮箱产生噪声，甚至引起齿轮箱剧烈振动，存在使机组产生共振的风险。现通过对风电齿轮箱轴承产生伪布氏压痕的案例进行分析，指出了伪布氏压痕的产生原因，并提供了检测方法和预防措施。

关键词：风电齿轮箱;轴承;伪布氏压痕

0    引言

齿轮箱是风力发电机组中的关键部件，常受到变载荷和强阵风的冲击，轴承是齿轮箱中最薄弱的环节之一[1]。轴承损坏的原因有很多，如伪布氏压痕、润滑不良、装配不对中、冲击过载及自然磨损等。其中，伪布氏压痕是一种常见的导致轴承损伤的因素，伪布氏压痕的产生将导致轴承在压痕处产生应力集中，遇冲击载荷，轴承会产生点蚀、磨损，严重影响了轴承使用寿命[2]。本文基于齿轮箱产生伪布氏压痕的案例，对伪布氏压痕的产生进行了原因分析，并提供了检测方法和预防措施。

1    轴承布式压痕案例

1.1    齿轮箱结构形式及轴承介绍

目前双馈型风力发电机组齿轮箱多是采用行星-平行轴混合传动的紧凑結构形式[3]，随着机组功率等级升高，齿轮箱所受载荷不断增大，目前功率等级较小的齿轮箱结构一般为一级行星加两级平行轴，功率等级高的一般为两级行星加一级平行轴。

齿轮箱输入端为低速重载工况，一般采用带挡边的满装圆柱滚子轴承。轴承主要承受径向载荷和部分轴向载荷，输入端轴承需要承受主轴传递的扭矩和行星架组件自身的重力，承受的载荷高于中间级和高速级轴承。中间级和高速级一般采用圆柱滚子加两个配对圆锥轴承，圆柱滚子轴承承受径向载荷，配对圆锥滚子轴承承受轴向载荷和径向载荷[4]。

1.2    布式压痕案例介绍

有一批库存5年以上的某型号风力发电机组齿轮箱，结构为两级行星加一级平行轴。由于齿轮箱一直存放在库房中，为确认齿轮箱内部轴承和齿轮的状态，对齿轮箱重新进行了型式试验及拆箱检查。齿轮箱拆解过程中发现齿轮箱部分轴承的外圈和滚动体接触处出现多条亮线，且部分亮线处用指甲划过有明显的触感，这些亮线即为伪布氏压痕。

拆检后对轴承产生压痕的情况进行了对比，发现齿轮箱一级行星架上风向的圆柱滚子轴承滚子和轴承内圈均存在压痕，压痕有明显触感。二级行星和高速级轴承只有部分位置的轴承存在压痕，且压痕的触感不明显。

根据齿轮箱轴承的拆解对比结果，齿轮箱的一级行星架上风向轴承均存在伪布氏压痕，且触感明显;二级行星和高速级轴承只是部分位置的轴承产生了轻微压痕，可见齿轮组件的承载越重，轴承越容易出现伪布氏压痕。

2    轴承伪布式压痕产生原因分析

轴承产生伪布氏压痕是轴承滚子与滚道间产生微小振动，滚动体和滚道的接触部分由于振动和摇动造成初期磨损，持续的微动磨损在同一位置继续发展，而产生的类似布氏压痕的印痕。产生原因可能有配合过松、轴承选择不当、振动冲击等[5]。

齿轮箱发运过程中不可避免地会产生振动和冲击，可能导致轴承滚子和滚道间产生初期的振动磨损。根据齿轮箱的存放要求，齿轮箱应存放于没有震动的地方，如果存放时间超过6个月，应注入一定量的润滑油，盘动齿轮箱，改变齿轮箱齿轮的啮合位置及轴承滚子、滚道的相对位置，并使齿轮和轴承表面再次形成油膜，防止齿轮和轴承产生微动破坏。齿轮箱实际存放过程中，车间无电动盘车装置，按照要求齿轮箱厂家须定期带盘车装置进行齿轮箱的维护盘车，但实际存放过程中齿轮箱的维护盘车周期约为一年进行一次，超出规定的时间范围。且齿轮箱在车间厂房存放期间，车间进行其他机组装配，零部件的吊运过程会导致车间地面产生震动，因此导致齿轮箱内部轴承滚子和内外圈滚道之间产生微振，且齿轮箱为无油存放，轴承滚子和滚道间无润滑油膜，齿轮箱的存放条件恶劣也导致了轴承产生伪布氏压痕。

综上所述，齿轮箱存放及运输过程中轴承振动和润滑不良是齿轮箱轴承产生伪布氏压痕的主要原因。

3    压痕程度判定及预防措施

由于风电机组齿轮箱轴承使用工况特殊，一旦需要拆卸和更换轴承就要将齿轮箱下塔，更换成本较高，因此要求轴承能够满足20年的使用寿命。轴承产生伪布氏压痕后，在滚子和滚道上形成了初始磨损或凹坑，齿轮箱运转过程中会造成轴承滚子和内外圈之间产生应力集中，特别是齿轮箱输入端易产生伪布式压痕的轴承，承受低速重载的过程中，凹坑处形成冲击载荷，将严重缩短轴承寿命。因此，有必要制定合适的判断方法确定出现伪布氏压痕的轴承损坏程度，判断其能否继续使用，并制定合理的预防措施，有效防止轴承产生伪布氏压痕。

3.1    压痕程度判定

目前行业内判定轴承伪布式压痕的严重程度主要使用触摸法，该方法是轴承厂家推荐的一种经验法，具体方法是使用手指指肚去触摸轴承表面，如果压痕能够被感觉到，则不能使用;如感觉不到则可以继续使用。该方法仅能凭借经验进行判断，无法定量对轴承损坏程度作出判定，且容易因实际操作人员对触摸感觉的不同作出不同的判定结果。

为避免出现对轴承伪布式压痕损伤程度作出误判，抽取了5台某型号机组齿轮箱，对一级行星架上风向和二级行星架上、下风向的轴承内圈伪布式压痕处进行了粗糙度测量，并对压痕处实测粗糙度值进行了汇总对比，结合轴承厂家的建议，得出了使用粗糙度测量法对轴承出现伪布式压痕的损坏程度作出判断的经验。

粗糙度测量法具体操作为：使用手持式粗糙度检测仪检测轴承粗糙度，将探针与被测表面贴合，检测过程中使探针垂直于被测压痕，然后读取检测仪器上的粗糙度值。由于该方法实施过程中探针与轴承表面的贴合度不同会影响测得的实际数值，因此每条压痕重复测量5次，然后取测得粗糙度的平均值作为最终检测结果。