2018/04/11 
2079近年來統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)有一千多臺(tái)直驅(qū)機(jī)組的主軸滾動(dòng)軸承失效；雙饋機(jī)組也有幾千臺(tái)的各種滾動(dòng)軸承或輪齒失效。
風(fēng)電迅猛發(fā)展時(shí)期歐洲某知名保險(xiǎn)公司的統(tǒng)計(jì)，在那4500多臺(tái)故障的風(fēng)電齒輪箱中表現(xiàn)在軸承上的占30%(約1350臺(tái))、表現(xiàn)在輪齒上的占39%(約1755臺(tái))、表現(xiàn)在風(fēng)電齒輪箱軸、泵、聯(lián)軸器、箱體、密封件等其它方面的占31%。
自那以后世界各風(fēng)電齒輪箱制造廠和軸承制造廠都從優(yōu)化齒輪箱或軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、制造精度、制造材料、表面處理、潤滑方式、潤滑材料、優(yōu)化滾動(dòng)軸承軸向載荷、優(yōu)化滾動(dòng)軸承徑向間隙、優(yōu)化滾子接觸角、優(yōu)化滾子的波紋度、優(yōu)化滾動(dòng)軸承滾子修形、優(yōu)化齒輪齒修形、優(yōu)化行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化均載系數(shù)、安裝工藝、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面都做了大量的改進(jìn)。
那些通常適用于恒速運(yùn)行的船用齒輪箱或其他工業(yè)用齒輪箱行之有效的措施，用在風(fēng)力機(jī)或風(fēng)電齒輪箱上卻只能治標(biāo)、不能治本。都未能達(dá)到預(yù)想的效果，只要風(fēng)力機(jī)運(yùn)行到一定時(shí)段，風(fēng)力機(jī)的主滾動(dòng)軸承、風(fēng)電齒輪箱的滾動(dòng)軸承和輪齒照樣出現(xiàn)故障，而故障頻率和故障面是不斷地加劇。這引發(fā)我們的深思!只有找到導(dǎo)致出現(xiàn)這些故障的真正原因才能根治或減少這些故障的出現(xiàn)。
由于初始動(dòng)力的風(fēng)具有的隨機(jī)性、波動(dòng)性以及間歇性，風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)軸系-主軸—滾動(dòng)軸承-齒輪-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)就是工作在風(fēng)的隨機(jī)性、風(fēng)的波動(dòng)性以及風(fēng)的間歇性的工況頻繁突變的典型代表。因此該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，要頻繁經(jīng)歷啟動(dòng)、停機(jī)、工況變化、轉(zhuǎn)速變化和負(fù)荷變化等瞬態(tài)過程。
主傳動(dòng)鏈故障首要原因——低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)
理論上認(rèn)為造成風(fēng)力機(jī)主傳動(dòng)鏈部件各種故障的第一個(gè)原因是：低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。例如造成滾動(dòng)軸承跑圈或輪齒損壞的重要原因之一就是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)階段沒有意識(shí)到風(fēng)力機(jī)主傳動(dòng)鏈存在低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是以風(fēng)為能源的動(dòng)力機(jī)械，不單是有沒有低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的問題，而在于“低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)嚴(yán)重不嚴(yán)重”的問題。
在國外某風(fēng)力機(jī)制造公司于2011年也發(fā)現(xiàn)此問題，并和另一家公司以及國外某知名大學(xué)共同研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動(dòng)軸系低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。他們于2012年得出理論結(jié)論，2013—2014年以其樣機(jī)作試驗(yàn)、驗(yàn)證，從2015年起該國外某知名風(fēng)力機(jī)制造公司就在其新制的機(jī)型上都裝用不同型號(hào)、低頻、非線性扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振阻尼裝置。
除了由于動(dòng)力機(jī)械不均勻輸出功率會(huì)造成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以外，不均勻吸收扭矩的工作機(jī)械，也會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。
風(fēng)力機(jī)的低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)情況與風(fēng)的時(shí)變性使風(fēng)力機(jī)葉輪的不均勻吸收和輸出功率的情況有關(guān)，在系統(tǒng)的振動(dòng)特性不變時(shí)，當(dāng)吸收和輸出功率的波動(dòng)越大，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅也越大。
所有的工業(yè)機(jī)械，都發(fā)生過由于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而造成的事故。
如果系統(tǒng)存在低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)軸系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生由低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而引起的低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)應(yīng)力，這應(yīng)力是風(fēng)力機(jī)裝置本身所應(yīng)承受的應(yīng)力之外的低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)附加應(yīng)力，這樣就加重了風(fēng)力機(jī)主傳動(dòng)鏈部件的負(fù)荷，當(dāng)應(yīng)力超過允許限度，就會(huì)使風(fēng)力機(jī)軸系主傳動(dòng)鏈部件產(chǎn)生疲勞損壞。
當(dāng)風(fēng)力機(jī)的軸系產(chǎn)生低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，有以下幾種現(xiàn)象：
1）軸系主軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)性的疲勞斷裂;
2）軸系中的連接部件，如軸系的連接螺栓等等發(fā)生損壞，以致斷裂;
3）軸系中各附件如油泵等的連接軸產(chǎn)生多發(fā)性的扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂;
4）葉輪的輪轂和主軸的連接螺紋緊固件等發(fā)生磨損、磨松或斷裂;
5）軸系中局部軸發(fā)生過熱現(xiàn)象;
6）引起增速齒輪箱傳動(dòng)齒輪的脫開-沖擊或齒輪傳動(dòng)部位發(fā)生點(diǎn)蝕、噪聲以致齒牙折斷;
7）引起各滾動(dòng)軸承滾柱、滾珠與保持架脫開、沖擊以致?lián)p壞;
8）使軸系中的各種過盈配合或紅套部位發(fā)生嚴(yán)重松動(dòng)(如過盈配合或紅套的軸承的內(nèi)外圈松動(dòng)至跑圈)、錯(cuò)位現(xiàn)象;
9）機(jī)組產(chǎn)生縱向和橫向振動(dòng);
10）機(jī)組的發(fā)電機(jī)裝置發(fā)生嚴(yán)重的運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，導(dǎo)致電壓脈動(dòng)，影響電氣設(shè)備工作不正常。
以上各種由于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起的事故，根據(jù)低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的強(qiáng)烈程度，有時(shí)僅出現(xiàn)一種，有時(shí)同時(shí)出現(xiàn)多種。
1. 把風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)化為雙質(zhì)量系統(tǒng)
風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)裝置的雙質(zhì)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖中風(fēng)輪部分的當(dāng)量慣量為I1、發(fā)電機(jī)(或+齒輪箱部分)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I2，它們之間的剛度為K1，2。
在某風(fēng)速下在風(fēng)輪部分作用一當(dāng)量的激勵(lì)扭矩的低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性是：
風(fēng)輪I1 發(fā)電機(jī)(或+齒輪箱)I2
簡(jiǎn)化風(fēng)力機(jī)主傳動(dòng)裝置的雙質(zhì)量系統(tǒng)當(dāng)量圖
風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)裝置的雙質(zhì)量系統(tǒng)中，兩個(gè)質(zhì)量的振幅成反向，即a2=(-I1/I2)×a1，兩振幅之比與兩慣量之值成反比。只要大慣量風(fēng)輪有微小的振幅，后面小慣量的主軸承、齒輪、齒輪箱軸承、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)軸承的振幅就會(huì)被放大——相當(dāng)于一個(gè)動(dòng)力放大器。
風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)裝置之所以會(huì)產(chǎn)生低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其根本原因在于風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)裝置的軸系是低轉(zhuǎn)速，不但具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性，而且還具有扭轉(zhuǎn)的彈性特性，這種慣量與彈性的適當(dāng)組合使得軸系具有固有的低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性。
由于風(fēng)力機(jī)大慣量風(fēng)輪的慣量會(huì)隨其葉輪直徑最高點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)壓、大氣溫度的變化而變化，所以其低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性也會(huì)隨之變化，其低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性是非線性的。
作為風(fēng)力機(jī)，由于其葉輪葉片工作的周期性性質(zhì)，使得作用于軸系上的扭矩為一周期性的簡(jiǎn)諧扭矩，而形成激勵(lì)源，當(dāng)激勵(lì)力的頻率與其固有的振動(dòng)頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“共振”現(xiàn)象，將使低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)得到巨大的動(dòng)態(tài)放大作用，從而大大增加了軸系中所受到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，導(dǎo)致軸系發(fā)生各種事故。
目前有99%風(fēng)力機(jī)是剛性傳動(dòng)的雙質(zhì)量系統(tǒng)，它們都有個(gè)共同點(diǎn)：其系統(tǒng)的首部均為大慣量，艉均為小慣量。這樣只要大慣量風(fēng)輪有微小的振幅，后面小慣量的振幅就會(huì)成百倍到上十萬倍地增大。
2.低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的損壞表現(xiàn)
實(shí)際風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)軸系裝置不同于扭擺。它屬于兩端都是自由的所謂“自由-自由”系統(tǒng)。各點(diǎn)的振幅都會(huì)很大。這種系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將產(chǎn)生“滾振”現(xiàn)象。理論及實(shí)踐上都證明“滾振”現(xiàn)象隨工作轉(zhuǎn)速的降低而增大。即“滾振”是屬于低頻也就是低轉(zhuǎn)速范疇內(nèi)的問題，實(shí)際上風(fēng)力機(jī)主傳動(dòng)軸系-風(fēng)輪是在低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，一般都在十多轉(zhuǎn)/每分鐘。但是風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)軸系較短，在風(fēng)力機(jī)大部分甚至全部運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的“滾振”反而可能會(huì)變成為風(fēng)力機(jī)低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的主要表現(xiàn)。
由于低頻扭振破壞屬于疲勞破壞，除了低頻扭振應(yīng)力很大時(shí)，大部分情況是要經(jīng)過一段時(shí)間使用才有損壞現(xiàn)象出現(xiàn)，這樣就更容易被人們所忽視。當(dāng)風(fēng)力機(jī)經(jīng)常運(yùn)轉(zhuǎn)在非線性的低頻扭振臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，一般容易出現(xiàn)的現(xiàn)象為風(fēng)力機(jī)的增速齒輪箱噪聲大，齒面容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝落等摩損現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)斷齒螺栓折斷及滾動(dòng)軸承跑圈，滾子、保持架損壞等事故?？梢允馆S系中某些位置經(jīng)數(shù)分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)即發(fā)熱，或造成軸折斷等事故，當(dāng)然低頻扭轉(zhuǎn)振動(dòng)并不是不可能反映在風(fēng)力機(jī)振動(dòng)上，例如系統(tǒng)中有增速齒輪箱而且低頻扭振比較嚴(yán)重時(shí)，當(dāng)?shù)皖l扭振交變力矩瞬時(shí)超過傳遞平均扭矩時(shí)，嚙合齒輪會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)脫離現(xiàn)象造成輪齒的沖擊-敲擊。由于齒輪的沖擊，使增速齒輪箱承受很大的扭矩，通過底座傳到機(jī)座，也會(huì)造成風(fēng)力機(jī)總振動(dòng)或局部振動(dòng)，以至造成風(fēng)力機(jī)損壞事故。
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