楊擴(kuò)嶺 趙愛龍
摘要:齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一,而軸承是齒輪箱中的關(guān)鍵部件。風(fēng)電齒輪箱的長(zhǎng)期放置和運(yùn)輸振動(dòng)過程,容易使軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕,嚴(yán)重的偽布氏壓痕將引起軸承滾動(dòng)體和套圈應(yīng)力集中,降低滾動(dòng)體和軸承套圈的斷裂強(qiáng)度,導(dǎo)致軸承損傷,損傷會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致齒輪箱產(chǎn)生噪聲,甚至引起齒輪箱劇烈振動(dòng),存在使機(jī)組產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)?,F(xiàn)通過對(duì)風(fēng)電齒輪箱軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕的案例進(jìn)行分析,指出了偽布氏壓痕的產(chǎn)生原因,并提供了檢測(cè)方法和預(yù)防措施。
關(guān)鍵詞:風(fēng)電齒輪箱;軸承;偽布氏壓痕
0? ? 引言
齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的關(guān)鍵部件,常受到變載荷和強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊,軸承是齒輪箱中最薄弱的環(huán)節(jié)之一[1]。軸承損壞的原因有很多,如偽布氏壓痕、潤(rùn)滑不良、裝配不對(duì)中、沖擊過載及自然磨損等。其中,偽布氏壓痕是一種常見的導(dǎo)致軸承損傷的因素,偽布氏壓痕的產(chǎn)生將導(dǎo)致軸承在壓痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中,遇沖擊載荷,軸承會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕、磨損,嚴(yán)重影響了軸承使用壽命[2]。本文基于齒輪箱產(chǎn)生偽布氏壓痕的案例,對(duì)偽布氏壓痕的產(chǎn)生進(jìn)行了原因分析,并提供了檢測(cè)方法和預(yù)防措施。
1? ? 軸承布式壓痕案例
1.1? ? 齒輪箱結(jié)構(gòu)形式及軸承介紹
目前雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱多是采用行星-平行軸混合傳動(dòng)的緊湊結(jié)構(gòu)形式[3],隨著機(jī)組功率等級(jí)升高,齒輪箱所受載荷不斷增大,目前功率等級(jí)較小的齒輪箱結(jié)構(gòu)一般為一級(jí)行星加兩級(jí)平行軸,功率等級(jí)高的一般為兩級(jí)行星加一級(jí)平行軸。
齒輪箱輸入端為低速重載工況,一般采用帶擋邊的滿裝圓柱滾子軸承。軸承主要承受徑向載荷和部分軸向載荷,輸入端軸承需要承受主軸傳遞的扭矩和行星架組件自身的重力,承受的載荷高于中間級(jí)和高速級(jí)軸承。中間級(jí)和高速級(jí)一般采用圓柱滾子加兩個(gè)配對(duì)圓錐軸承,圓柱滾子軸承承受徑向載荷,配對(duì)圓錐滾子軸承承受軸向載荷和徑向載荷[4]。
1.2? ? 布式壓痕案例介紹
有一批庫存5年以上的某型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱,結(jié)構(gòu)為兩級(jí)行星加一級(jí)平行軸。由于齒輪箱一直存放在庫房中,為確認(rèn)齒輪箱內(nèi)部軸承和齒輪的狀態(tài),對(duì)齒輪箱重新進(jìn)行了型式試驗(yàn)及拆箱檢查。齒輪箱拆解過程中發(fā)現(xiàn)齒輪箱部分軸承的外圈和滾動(dòng)體接觸處出現(xiàn)多條亮線,且部分亮線處用指甲劃過有明顯的觸感,這些亮線即為偽布氏壓痕。
拆檢后對(duì)軸承產(chǎn)生壓痕的情況進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)齒輪箱一級(jí)行星架上風(fēng)向的圓柱滾子軸承滾子和軸承內(nèi)圈均存在壓痕,壓痕有明顯觸感。二級(jí)行星和高速級(jí)軸承只有部分位置的軸承存在壓痕,且壓痕的觸感不明顯。
根據(jù)齒輪箱軸承的拆解對(duì)比結(jié)果,齒輪箱的一級(jí)行星架上風(fēng)向軸承均存在偽布氏壓痕,且觸感明顯;二級(jí)行星和高速級(jí)軸承只是部分位置的軸承產(chǎn)生了輕微壓痕,可見齒輪組件的承載越重,軸承越容易出現(xiàn)偽布氏壓痕。
2? ? 軸承偽布式壓痕產(chǎn)生原因分析
軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕是軸承滾子與滾道間產(chǎn)生微小振動(dòng),滾動(dòng)體和滾道的接觸部分由于振動(dòng)和搖動(dòng)造成初期磨損,持續(xù)的微動(dòng)磨損在同一位置繼續(xù)發(fā)展,而產(chǎn)生的類似布氏壓痕的印痕。產(chǎn)生原因可能有配合過松、軸承選擇不當(dāng)、振動(dòng)沖擊等[5]。
齒輪箱發(fā)運(yùn)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊,可能導(dǎo)致軸承滾子和滾道間產(chǎn)生初期的振動(dòng)磨損。根據(jù)齒輪箱的存放要求,齒輪箱應(yīng)存放于沒有震動(dòng)的地方,如果存放時(shí)間超過6個(gè)月,應(yīng)注入一定量的潤(rùn)滑油,盤動(dòng)齒輪箱,改變齒輪箱齒輪的嚙合位置及軸承滾子、滾道的相對(duì)位置,并使齒輪和軸承表面再次形成油膜,防止齒輪和軸承產(chǎn)生微動(dòng)破壞。齒輪箱實(shí)際存放過程中,車間無電動(dòng)盤車裝置,按照要求齒輪箱廠家須定期帶盤車裝置進(jìn)行齒輪箱的維護(hù)盤車,但實(shí)際存放過程中齒輪箱的維護(hù)盤車周期約為一年進(jìn)行一次,超出規(guī)定的時(shí)間范圍。且齒輪箱在車間廠房存放期間,車間進(jìn)行其他機(jī)組裝配,零部件的吊運(yùn)過程會(huì)導(dǎo)致車間地面產(chǎn)生震動(dòng),因此導(dǎo)致齒輪箱內(nèi)部軸承滾子和內(nèi)外圈滾道之間產(chǎn)生微振,且齒輪箱為無油存放,軸承滾子和滾道間無潤(rùn)滑油膜,齒輪箱的存放條件惡劣也導(dǎo)致了軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕。
綜上所述,齒輪箱存放及運(yùn)輸過程中軸承振動(dòng)和潤(rùn)滑不良是齒輪箱軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕的主要原因。
3? ? 壓痕程度判定及預(yù)防措施
由于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱軸承使用工況特殊,一旦需要拆卸和更換軸承就要將齒輪箱下塔,更換成本較高,因此要求軸承能夠滿足20年的使用壽命。軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕后,在滾子和滾道上形成了初始磨損或凹坑,齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)造成軸承滾子和內(nèi)外圈之間產(chǎn)生應(yīng)力集中,特別是齒輪箱輸入端易產(chǎn)生偽布式壓痕的軸承,承受低速重載的過程中,凹坑處形成沖擊載荷,將嚴(yán)重縮短軸承壽命。因此,有必要制定合適的判斷方法確定出現(xiàn)偽布氏壓痕的軸承損壞程度,判斷其能否繼續(xù)使用,并制定合理的預(yù)防措施,有效防止軸承產(chǎn)生偽布氏壓痕。
3.1? ? 壓痕程度判定
目前行業(yè)內(nèi)判定軸承偽布式壓痕的嚴(yán)重程度主要使用觸摸法,該方法是軸承廠家推薦的一種經(jīng)驗(yàn)法,具體方法是使用手指指肚去觸摸軸承表面,如果壓痕能夠被感覺到,則不能使用;如感覺不到則可以繼續(xù)使用。該方法僅能憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷,無法定量對(duì)軸承損壞程度作出判定,且容易因?qū)嶋H操作人員對(duì)觸摸感覺的不同作出不同的判定結(jié)果。
為避免出現(xiàn)對(duì)軸承偽布式壓痕損傷程度作出誤判,抽取了5臺(tái)某型號(hào)機(jī)組齒輪箱,對(duì)一級(jí)行星架上風(fēng)向和二級(jí)行星架上、下風(fēng)向的軸承內(nèi)圈偽布式壓痕處進(jìn)行了粗糙度測(cè)量,并對(duì)壓痕處實(shí)測(cè)粗糙度值進(jìn)行了匯總對(duì)比,結(jié)合軸承廠家的建議,得出了使用粗糙度測(cè)量法對(duì)軸承出現(xiàn)偽布式壓痕的損壞程度作出判斷的經(jīng)驗(yàn)。
粗糙度測(cè)量法具體操作為:使用手持式粗糙度檢測(cè)儀檢測(cè)軸承粗糙度,將探針與被測(cè)表面貼合,檢測(cè)過程中使探針垂直于被測(cè)壓痕,然后讀取檢測(cè)儀器上的粗糙度值。由于該方法實(shí)施過程中探針與軸承表面的貼合度不同會(huì)影響測(cè)得的實(shí)際數(shù)值,因此每條壓痕重復(fù)測(cè)量5次,然后取測(cè)得粗糙度的平均值作為最終檢測(cè)結(jié)果。