劉洪冰，姚 鵬，李克儉，陳 濤，王金生

風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸頸磨損在線鑲套修復(fù)工藝*

劉洪冰1,2，姚 鵬1,2，李克儉3，陳 濤2，王金生2?

（1. 清華大學(xué)天津高端裝備研究院洛陽先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地，河南 洛陽 471003；2. 中能智能（北京）能源科技有限公司，北京 100144；3. 清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084）

風(fēng)電是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要能源形式。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行一段時間后，其發(fā)電機(jī)軸的軸頸容易出現(xiàn)磨損。為實(shí)現(xiàn)軸頸的高效可靠修復(fù)，提出一種在線鑲套修復(fù)工藝。該工藝對磨損的軸頸進(jìn)行車削，隨后將軸套安裝于軸頸上，使二者過盈配合。對修復(fù)工藝進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)計算了鑲套過程的關(guān)鍵工藝參數(shù)，確保修復(fù)后的軸頸的尺寸精度滿足要求。工程應(yīng)用表明，該工藝可以在短時間內(nèi)修復(fù)磨損的軸頸，效率高、質(zhì)量好，有助于提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電量和風(fēng)場的經(jīng)濟(jì)性。相關(guān)研究成果可為我國風(fēng)電行業(yè)的健康發(fā)展提供參考。

風(fēng)電機(jī)組；發(fā)電機(jī)；磨損；在線修復(fù)

0 引 言

隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來了難得的歷史機(jī)遇[1]。其中，風(fēng)電因具有建設(shè)周期短、儲量豐富、利用率較高等優(yōu)勢，已成為新能源發(fā)展最快、最具有競爭力的發(fā)電技術(shù)之一[2]。據(jù)統(tǒng)計，2020年，我國風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到了7 × 107kW，累計裝機(jī)突破2.8 × 108kW，保證了我國繼續(xù)穩(wěn)居世界第一風(fēng)電大國地位[3]。放眼未來，風(fēng)電新增裝機(jī)容量將繼續(xù)快速提升，助力碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[4]。

發(fā)電機(jī)是風(fēng)電機(jī)組核心部件之一，其功能是將葉輪捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能[5-6]。由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜，發(fā)電機(jī)可能會發(fā)生各種故障，若不給予足夠的重視，甚至可能會導(dǎo)致一系列惡性事故[7]。其中，發(fā)電機(jī)軸頸的軸承位易發(fā)生磨損。磨損后，發(fā)電機(jī)出現(xiàn)振動，導(dǎo)致能量被大量轉(zhuǎn)化為熱量和噪聲，對發(fā)電量和風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響，因此須盡快對磨損部位進(jìn)行修復(fù)。以往出現(xiàn)該問題時，須將發(fā)電機(jī)下塔進(jìn)行修復(fù)。然而，該方式成本高、周期長、發(fā)電量損失大，給風(fēng)場運(yùn)營帶來了巨大壓力。因此，采用在線修復(fù)工藝高效修復(fù)發(fā)電機(jī)軸頸成了一種更優(yōu)的選擇。

目前，在線修復(fù)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸頸主要有兩種工藝，分別為高分子修復(fù)技術(shù)和冷焊技術(shù)。高分子修復(fù)技術(shù)是將碳納米聚合物復(fù)合材料涂覆到磨損處，待材料固化后對軸頸進(jìn)行車削加工，將軸頸的外徑加工至出廠尺寸，具有效率高、耐腐蝕、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[8]。然而，實(shí)踐表明，涂覆的材料與軸頸結(jié)合強(qiáng)度較差，經(jīng)過一段時間后容易脫落。冷焊技術(shù)是用冷焊機(jī)在軸頸的磨損處進(jìn)行堆焊，隨后對軸頸進(jìn)行車削，以恢復(fù)軸頸的尺寸和表面精度[9-10]。然而，由于焊接有熱輸入，焊后存在殘余應(yīng)力，進(jìn)而會導(dǎo)致軸頸出現(xiàn)裂紋甚至是折斷等問題。因此，以上兩種工藝在風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸頸磨損修復(fù)方面難以應(yīng)用推廣。

鑲套修復(fù)是一種傳統(tǒng)的軸頸磨損修復(fù)方法[11]。然而，目前還未見將該技術(shù)用于在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)直接修復(fù)發(fā)電機(jī)軸頸的報道。這是由于風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸頸修復(fù)具有以下難點(diǎn)：風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)空間狹小，人員開展修復(fù)工作條件受限；機(jī)艙隨風(fēng)頻繁晃動，因此車削精度難以保證，車削誤差相對較大；軸套需提前在地面加工好，結(jié)合軸頸的車削誤差，現(xiàn)場可能出現(xiàn)無法裝配等情況。

本文介紹了一種采用鑲套工藝修復(fù)磨損的發(fā)電機(jī)軸頸的方法。該工藝先對磨損的軸頸進(jìn)行車削，隨后將軸套加熱，以過盈配合的方式將軸套安裝于軸頸上，以恢復(fù)軸頸的尺寸和表面精度。該修復(fù)工藝對軸頸無熱輸入，可直接在機(jī)艙內(nèi)對發(fā)電機(jī)軸頸進(jìn)行修復(fù)，無需吊裝，質(zhì)量可靠、效率高，對于風(fēng)場尤其是海上風(fēng)場的經(jīng)濟(jì)性具有一定意義。

1 磨損原因

發(fā)電機(jī)軸頸磨損的根本原因是軸承的內(nèi)圈與軸頸發(fā)生了相對位移。該位移包括兩類：一類是軸向位移，即軸承沿著軸頸的中心軸方向朝靠近發(fā)電機(jī)或遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)的方向運(yùn)動；另一種是軸頸與軸承的旋轉(zhuǎn)不同步，即俗稱的“跑圈”。

軸承的內(nèi)圈與軸頸發(fā)生相對位移的原因主要包括以下三個方面。

1.1 軸電流灼傷

風(fēng)電機(jī)組變頻器采用脈沖寬度調(diào)制（pulse-width modulation, PWM）的調(diào)制方式，電壓尖峰對應(yīng)的頻率高，因此電流可以通過寄生電容、寄生電感耦合至發(fā)電機(jī)的軸頸，再傳導(dǎo)至軸承的內(nèi)圈。該電流經(jīng)過軸頸與軸承的表面時，會在該點(diǎn)產(chǎn)生極高的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致該點(diǎn)金屬熔化，產(chǎn)生凹坑。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時間越長，凹坑數(shù)量越多。當(dāng)凹坑達(dá)到一定數(shù)量時，軸承與軸頸配合的緊力減小到一定程度，隨即軸承內(nèi)圈與軸頸發(fā)生相對滑動，導(dǎo)致軸頸磨損[12]。

1.2 過盈量減小

發(fā)電機(jī)軸頸長期處于一種高溫高轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)，軸承在高溫狀態(tài)下發(fā)生膨脹，使得內(nèi)圈與軸頸的過盈量減小，配合的緊力降低，內(nèi)圈與軸頸之間出現(xiàn)位移[13]。

1.3 軸承損壞

由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況惡劣，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，發(fā)電機(jī)軸承可能出現(xiàn)保持架斷裂、滾道磨損等問題[14]。出現(xiàn)該問題后，軸承自身運(yùn)行摩擦力大幅增大，增大的摩擦力會作用到軸承內(nèi)圈與軸頸的配合面，使軸承內(nèi)圈與軸頸之間出現(xiàn)位移，進(jìn)而導(dǎo)致磨損。

2 修復(fù)工藝

修復(fù)工藝流程如圖1所示。其中，拆軸承和裝軸承有成熟的工藝，本文不再贅述。表面清理需要清除磨損處的雜質(zhì)，并用清洗劑洗掉殘留的潤滑油。本節(jié)重點(diǎn)對車削、鑲套和尺寸檢測進(jìn)行介紹。

圖1 修復(fù)工藝流程

2.1 車削

出廠時，軸頸的長度為，直徑為。車削時，將其直徑由車削至f，如圖2所示。車床為自主研發(fā)產(chǎn)品，可直接安裝于機(jī)艙內(nèi)，直接對發(fā)電機(jī)軸頸進(jìn)行車削，不需將發(fā)電機(jī)吊裝至地面，以降低修復(fù)成本和發(fā)電量損失。工程中，發(fā)電機(jī)軸頸的磨損量不超過3 mm。3 mm的軸套為薄壁套，加工困難，且鑲套修復(fù)時薄壁套容易損壞。因此，實(shí)際工程中將軸套的壁厚設(shè)計為10 mm左右，軸頸的車削量相應(yīng)地設(shè)計為7 ～ 10 mm，即軸頸的直徑相對于出廠時的值被車削去20 mm。

圖2 軸頸尺寸：（a）車削前；（b）車削后

2.2 鑲套

鑲套是修復(fù)工藝的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)保證滿足以下要求：軸套提前在地面加工，雖然車削后的軸頸存在誤差，但軸套可以克服該誤差成功安裝上去；軸套加熱后，可以比較容易地套在軸頸上，冷卻后二者過盈配合，而且考慮到風(fēng)機(jī)上的實(shí)際情況，加熱溫度不宜超過300℃；修復(fù)后，軸頸的外徑滿足出廠條件；軸頸不會發(fā)生剪斷或扭斷，即能夠承受相應(yīng)的剪力和扭矩；發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，軸套和軸頸之間不會發(fā)生打滑，且軸套與軸頸均不會發(fā)生塑性變形。

根據(jù)以上要求，求解思路為：選用和軸頸一樣的材料加工軸套；以傳遞扭矩要求和材料不發(fā)生塑性形變條件，分別求得過盈配合的最大、最小過盈量，在該范圍中選擇一組偏差代號，并通過經(jīng)驗公式校核熱裝法的難度；在此基礎(chǔ)上，求得軸頸的直徑、軸套的內(nèi)徑以及軸套外徑在安裝后的變化量，進(jìn)而求得加工時需要的軸套內(nèi)徑和外徑。考慮到軸頸存在車削誤差，因此提前在地面加工5個軸套，各軸套的內(nèi)徑根據(jù)車削誤差的范圍而有所不同，確保車削后可有1個軸套成功安裝。

2.2.1 初步計算車削后軸頸的直徑

基于軸頸的抗扭強(qiáng)度初步確定車削后軸頸的直徑[15]。軸頸在扭轉(zhuǎn)時的最大切應(yīng)力不可超過材料的許用切應(yīng)力，即

其中，軸頸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)為

同時，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時軸頸的扭矩為

進(jìn)而得到

一般來說，塑性材料的扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力為

進(jìn)而可確定f的最小值。在此基礎(chǔ)上，可以初步選定一個f值。注意f須大于軸頭的直徑，否則車削時會將軸頭一并車削。

2.2.2 計算最小有效過盈量

為保證軸套與軸頸不打滑，二者之間的最小壓力為

鑲套后，為保證傳遞扭矩時軸套和軸頸不打滑，軸套內(nèi)徑的最小變化量為

其中：軸套的拉梅系數(shù)a可以通過式（8）和式（9）計算得到。

鑲套后，為保證傳遞扭矩時軸套和軸頸不打滑，軸頸直徑的最小變化量為

其中：軸頸的拉梅系數(shù)可通過式（11）計算得到。

進(jìn)而可以計算得到軸套與軸頸的最小有效過盈量為

因此，只要保證軸套與軸頸的實(shí)際過盈量大于min，即可保證二者在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中不會打滑，即

2.2.3 計算最大有效過盈量

針對軸套，基于第四強(qiáng)度理論[16]，有

針對軸頸，基于第四強(qiáng)度理論，有

因此，為保證軸頸與軸套均不發(fā)生塑性變形，二者之間的最大壓力為

鑲套后，為保證軸套不發(fā)生塑性變形，軸套內(nèi)徑的最大變化量為

同時，為保證軸頸不發(fā)生塑性變形，軸頸直徑的最大變化量為

進(jìn)而，可以計算得到軸套與軸頸的最大有效過盈量為

因此，只要保證軸套與軸頸的實(shí)際過盈量小于max，即可保證二者在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中不會發(fā)生塑性變形，即

2.2.4 確定過盈量

計算0.5(min+max)，以該數(shù)值為基準(zhǔn)，在公差表里選擇常用的公差配合，確定，需滿足式（13）和式（20）的要求[17]。

考慮到風(fēng)機(jī)內(nèi)操作的條件有限，本修復(fù)工藝要求軸套應(yīng)較容易裝入，因此可選擇較小過盈量。可應(yīng)用式（21）指導(dǎo)判斷過盈配合的安裝難易程度。

其中：加熱后的間隙量0一般可取1 ～ 2倍。根據(jù)風(fēng)機(jī)內(nèi)的實(shí)際條件，Δ應(yīng)小于300℃。若不滿足條件，則應(yīng)適當(dāng)減小。

2.2.5 計算車削后軸頸的尺寸

在確定的同時，可直接根據(jù)公差表確定f。此時計算得到的f與2.2.1節(jié)中初步確定的f非常接近，但會有一個小偏差。以此時確定的f為準(zhǔn)。

2.2.6 計算修復(fù)前軸套的尺寸

基于，可以計算得到軸套和軸頸之間的實(shí)際壓力為

因此軸套的外徑變化量為

軸套的外徑變化后，應(yīng)與軸頸的出廠直徑一致，即

根據(jù)式（23）和式（24），即可求得軸套的外徑2。

2.3 尺寸檢測

修復(fù)后，用游標(biāo)卡尺檢測軸頸的直徑，用百分表測量軸頸的跳動。若檢測發(fā)現(xiàn)不滿足要求，則需要對軸套進(jìn)行切割后，安裝新軸套。值得一提的是，在軸套的尺寸和跳動滿足要求且車削后的軸頸尺寸滿足要求的情況下，修復(fù)后可做到不需返修。

3 工程應(yīng)用

在理論研究的基礎(chǔ)上，于某國產(chǎn)品牌風(fēng)機(jī)上開展工程應(yīng)用。該風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)軸頸出現(xiàn)磨損，處于停機(jī)狀態(tài)。修復(fù)前，對人員進(jìn)行充分培訓(xùn)，確保其掌握該修復(fù)技能，操作熟練。經(jīng)過5天的修復(fù)，軸頸的尺寸、精度得到恢復(fù)，確保風(fēng)機(jī)可以正常運(yùn)行。軸頸修復(fù)后如圖3所示。

圖3 修復(fù)后的軸頸

4 結(jié) 論

針對風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸頸磨損問題，提出了一種在線鑲套修復(fù)工藝，并對車削、鑲套等關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行了計算分析。研究表明，采用該修復(fù)工藝可以保證軸頸修復(fù)后的質(zhì)量，進(jìn)而滿足風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行要求。該技術(shù)有望在風(fēng)電機(jī)組尤其是海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)軸頸磨損修復(fù)方面實(shí)現(xiàn)推廣。

發(fā)電機(jī)功率，kW

軸頸的轉(zhuǎn)速，r/min

軸頸傳遞的扭矩，N?m

泊松比，無量綱

[]屈服應(yīng)力，MPa

max軸頸的最大切應(yīng)力

[] 軸頸的許用應(yīng)力

彈性模量，MPa

線膨脹系數(shù)，1/℃

軸頸出廠直徑，mm

軸頸長度，mm

f車削后軸頸的直徑，mm

p軸頸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，mm3

1軸套的內(nèi)徑，mm

2軸套的外徑，mm

a軸套的軸徑比，無量綱

Δ鑲套后軸套的外徑變化量，mm

i軸頸的拉梅系數(shù)，無量綱

a軸套的拉梅系數(shù)，無量綱

min軸頸與軸套的最小結(jié)合壓力，MPa

imax軸頸的最大結(jié)合壓力，MPa

amax軸套的最大結(jié)合壓力，MPa

max軸頸與軸套的最大結(jié)合壓力，MPa

軸頸與軸套的實(shí)際結(jié)合壓力，MPa

imin軸頸的最小直徑變化，mm

imax軸頸的最大直徑變化，mm

amin軸套的最小直徑變化，mm

amax軸套的最大直徑變化，mm

mim軸頸與軸套的最小有效過盈量，mm

max軸頸與軸套的最大有效過盈量，mm

軸頸與軸套的實(shí)際過盈量，mm

0加熱后的間隙量，mm

Δ安裝時軸套的加熱溫升，℃

Δf最大車削誤差

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Online Repair Process of the Generator Axle Journal of the Wind Turbine

LIU Hong-bing1,2, YAO Peng1,2, LI Ke-jian3, CHEN Tao2, WANG Jin-sheng2

(1. Luoyang Advanced Manufacturing Industry Center Tianjin Research Institute for Advanced Equipment, Tsinghua University, Luoyang 471003, Henan, China; 2. Zhongneng Intelligence (Beijing) Energy Technology Co., Ltd., Beijing 100144, China; 3. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Wind power is an important energy form to achieve the goal of carbon peak and carbon neutralization. The journal of the generator axle journal is easy to be worn after the wind turbine runs for a period of time. In order to achieve efficient and reliable repair, an on-line repair process was proposed. In this process, the worn axle journal was turned, and then the axle sleeve was installed on the axle journal to make their interference fit. In this paper, the repair process was introduced, and the key process parameters of the inserting sleeve process were calculated, ensure that the dimensional accuracy of the repaired axle journal met the requirements. The engineering application showed that the worn axle journal was repaired with high efficiency and good quality, which was helpful to improve the power generation of the wind turbine and the economy of the wind farm. Relevant research results may provide reference for the healthy development of China’s wind power industry.

wind turbine; generator; wear; online repair

2095-560X（2022）03-0244-05

TK83；TH17

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.03.008

2022-02-11

2022-04-08

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目（51901113）

王金生，E-mail：jinsheng.wang@ds-techcn.com

劉洪冰（1988-），男，博士，工程師，加州大學(xué)伯克利分校訪問學(xué)者，主要從事風(fēng)電機(jī)組核心部件再制造技術(shù)研究。

王金生（1980-），男，主要從事風(fēng)電機(jī)組核心部件再制造、風(fēng)電技術(shù)改造、運(yùn)行維護(hù)技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化工作。