大连科技学院 机械工程学院 辽宁大连 116052
摘要：近年来，我国对电能的需求越来越多，风力发电有了很大进展。使用风力作为动力的发电机，其内部的齿轮箱是该电机组当中最为核心的一个机械零件。齿轮箱内部的高速轴，大量的使用圆锥滚子作为轴承。但这一类型的轴承发生的振动问题，频繁造成齿轮箱的振动大于规定要求的现象。根据有关的分析了解到，滚子部位出现的波纹度不正常现象，是导致振动大于规定要求这一问题的主要原因。
关键词：风电；齿轮箱；高速轴；轴承振动；应用分析
引言
风电齿轮箱是双馈风电机组中连接叶轮和发电机的重要部件，是传递能量和承受风载的核心部件。根据美国和欧洲相关研究机构统计资料表明：齿轮箱是风电机组故障率最高的部件之一，其引起的故障停机时间最长，其中约达50%源于高速轴轴承故障。高速轴输入端常采用圆柱滚子轴承，输出端采用圆锥滚子轴承，由于外部风载激励和内部激励，特别是齿轮箱输出轴与发电机轴不对中，将使高速轴轴承载荷增大，给轴承带来附加位移和动载响应，加速高速轴轴承过早失效。
1齿轮失效特征归类概述
兆瓦级风机齿轮箱工作环境更加复杂，交变载荷以及运行速度的时刻改变给齿轮失效类型的准确诊断和定位带来了很大困难。除了齿轮长期运行逐渐积累的失效，风力齿轮箱的复杂运行环境使随机冲击带来失效也时常发生。为此，该文结合齿轮失效机理和失效演化过程对不同失效类型的特征进行归类分析，以便更加快速判断失效程度和类型。齿轮正常啮合、发生分布式失效、局部失效3种情况，对其时域、频域特征进行具体分析。发生断齿失效时，在断齿处将会产生很大的冲击，在时域上表现为幅值的规律性增大；在频域上体现为啮合频率及其倍频的边频带数量增加，幅值增大，分布变广，同时由于冲击会引起齿轮箱某阶固有频率，产生共振带。当齿轮发生分布式失效时，如齿轮发生均匀磨损时，会导致传动间隙增加进而引起齿轮啮合点相对位置的变化，从而使激励成分发生变化。在频谱表现为旋转频率、啮合频率及其倍频的位置不发生变化，但幅值增大，即会产生啮合频率及其倍频的幅值增大的现象，同时振动信号会激发以转频为间隔的啮合频率边频带。这是由于分布式失效的啮合线相较于正常啮合时发生一定变化，啮合的平稳性受到破坏，冲击能量增大，使振动的幅值也相应增加。啮合频率幅值，边频带的振动幅值更加敏感于齿轮的磨损。因此，边带效应所对应的幅值变化是判断齿轮是否存在磨损的重要指标，同样当齿轮磨损严重时，其啮合频率的高次谐波也将更加明显。
2风电齿轮箱高速轴轴承振动
（1）对轴承进行布置的具体型式。使用风力作为动力的发电机，其内部齿轮箱高速轴使用的轴承，普遍是使用1套当中的圆柱滚子类型的轴承，还有2套面对面进行配对的圆锥滚子类型的轴承（型号是32034-x）作为支承。（2）振动展开的分析。①对外观进行检查。相关工作人员针对上述齿轮箱2出现的振动大于规定要求的情况，在测试工作的现场中对这一轴承当中的内、外圈、滚子以及保持架等零部件的不正常磨损等情况展开了检测。②轴承之前就存在的故障问题发生的频率。为深入对导致这一轴承，出现的不正常振动问题的原因进行分析，首先在这一高速轴工作转速达到1802r／min阶段时，要对轴承所有零部件之前就存在的故障问题发生的频率进行计算。③对出现的振动情况进行分析。振动测试期间得出的结果，还有圆锥滚子类型的轴承出现振动问题的特性，下面主要对轴向产生的振动数据展开分析，轴承出现的轴向振动的实际频谱分析结果，在低频（频率不超过3000Hz）的这一个区间段之中，文中所述两个齿轮箱，出现的振动幅值，基本没有太大区别；而在高频（频率大于3000Hz）的这一个区间段之中，齿轮箱2使用轴承出现的振动问题的幅值，显著超过齿轮箱1。另外，这一齿轮箱出现的振动问题的幅值最高点，明显大于规定的要求。对于高频（频率大于3000Hz）的这一个区间段，和上表2展开全面分析之后了解到，滚子出现故障特征所处的频率的22倍，还有44倍的谐波频率分别是在3234Hz以及6468Hz。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此若是滚子所处的22倍～44倍之间的波圆度相对偏差，造成的振动频率就应该是在3234Hz～6468Hz这一区间内，和3200Hz～6500Hz的这一个区间十分吻合。所以，按照实际使用得出的经验，初步对轴承出现的振动问题进行判断，也许是遭遇滚子在第22倍～44倍区间段上，波纹度产生的影响。
3风电齿轮箱行星轮轴承跑圈失效分析
3.1失效原因
1）轴承设计不合理。挡边受力区域太薄，挡边与圆柱体过渡圆角太小，容易造成圆角处应力集中，导致挡边断裂，出现跑圈现象；2）行星轮轴承处结构设计不合理。轴承内圈之间没有隔套，导致轴承轴向游隙无法保证，使轴承承受附加轴向力；3）润滑油量过大。导致外圈冷却速度过快，外圈与行星轮产生较大的温度差，减小了轴承外圈与内孔之间的过盈量；4）齿轮箱一级行星传动机构的行星轮、太阳轮、内齿圈都是采用斜齿轮啮合传动，这种传动方式必定会给各个齿轮形成一种轴向力，作用在行星轮上的轴向力，虽然在太阳轮、内齿圈的相互作用下可以抵消大部分，但由于齿轮加工、装配的偏差，此轴向力会产生一定的偏载，使得行星轮会有一定的小范围前后窜动，这种窜动会受到内齿圈和连接在行星轮内圆的轴承外圈的限制，一旦行星轮这种偏载和窜动过大，就会造成轴承滚珠对外圈挡边的周期性多次冲击，当超出轴承外圈挡边的疲劳强度后就会形成多冲疲劳断裂，断裂后轴承外圈在轴向力作用下就会形成螺旋式位移。
3.2针对各项失效原因给出以下建议
1）设计轴承时，将轴承挡边受力区域增大，并增大挡边与圆柱体过渡圆角，以减小应力集中；2）行星轮轴承内圈之间增加隔套，保证轴承轴向游隙；3）合理设计行星轮轴承润滑油流量，满足润滑及冷却即可；4）齿轮箱一级行星传动机构的齿轮加工、装配的偏差，导致偏载问题。这种刚性轴结构出现偏载不可避免。目前行业内有两种解决办法，第一种是采用无外圈轴承，即行星轮和轴承外圈集成于一体，这样就杜绝了外圈跑圈的可能性，同时行星轮有更多的内部设计空间，可以设计更大的滚子来提高承载能力。第二种是采用柔性销轴结构，柔性销轴设计允许行星轮组件在运行中产生柔性的偏移，保证齿面有更高的啮合率，特别是对多个行星轮的设计，使得各行星轮之间的载荷分布更均匀，有效降低行星轮偏载，不会带来附加的轴向力作用在轴承外圈上。
结束语
综上所述，通过对不同品牌的风电齿轮箱轴承的对比试验发现，高速轴轴承的振动异常是导致齿轮箱振动超标的原因之一。滚子的波纹度对轴承的振动有很大影响，可对滚子进行油石研磨（珩磨），进一步控制滚子的波纹度，从而保证轴承的使用及质量控制。
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作者简介：赵昕（1987-），大连科技学院，工程师。研究方向：风电齿轮箱设计，激光焊接工艺及数值模拟。
论文作者:赵昕
论文发表刊物:《房地产世界》2019年8期
论文发表时间:2019/9/24
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