梁雪
（遼寧中科經創智慧能源有限公司）
本文針對某風電場站1.5MW風電機組調心滾子軸承滾動體和內外圈滾道剝落損傷等實際故障案例進行詳盡剖析，旨在揭示其背后的成因，評估其對風電機組主軸系的影響，并提出預防和改進措施。
1 軸承滾道磨損
通過綜合實際現場考察與查閱相關技術文獻，一般情況下，在役風電機組初期，主軸系統固定端軸承的運行特性尤為關鍵。在低速重載工況下，軸承通常處于單邊滾道承載，且與滾動體的接觸處于邊界潤滑狀態，這導致潤滑油膜難以形成，從而增加了磨損的風險。在軸向高頻微振的作用下，滾動體與滾道間產生周期性微動滑移，并且在剪切力作用下邊界潤滑膜極易發生破裂，引發滾動體與滾道的粗糙峰接觸磨損。隨著時間推移，齒輪箱側滾道接觸表面會出現微小疲勞裂紋，這些裂紋逐漸擴展，形成微點蝕坑，表現為滾道接觸表面的“表面起源型微剝落”。
如圖1所示，由于軸承滾道長期的承受偏載接觸應力導致滾道表面集中應力，亞表面的最大剪切應力向滾道接觸區域移動，引發疲勞裂紋從滾道表面起始。這種應力“集膚效應”加劇了滾道的疲勞，最終在滾道上形成局部鱗片狀疲勞剝落。如果未能及時發現并處理，剝落區域可能會遭受二次損傷，演變成大面積剝落。硬質金屬碎片的剝落不僅加劇了滾道的磨損，還可能造成套圈斷裂，進而喪失軸向約束能力，引發主軸系后竄故障，與支承結構產生嚴重干涉，造成嚴重的經濟損失。
綜上所述，根據軸承滾道發生失效的復雜過程揭示了維護和預防工作的重要性。通過優化運行條件、強化維護管理，可以有效防止這種失效模式的發生，保障風電機組的穩定運行。
圖1 固定端軸承內外圈滾道失效
2 軸承外圈表面剝落
如圖2所示，軸承內外圈滾道邊緣材料大面積缺失，表明固定端軸承內外圈磨損較為嚴重。其原因是由于在軸承的轉動過程中，由于材料長期處于疲勞極限，受力部位因疲勞損傷會出現細小裂紋，隨著裂紋的不斷加深，從受力部位開始逐漸出現剝坑，最終導致軸承表面的大面積剝落，使主軸后竄以及機組出現異常振動與噪聲。因此為了避免軸承外圈出現該現象，應降低主軸負載和頻繁的啟停操作，這會加速軸承的磨損。同時，保持設備的清潔，避免塵埃和雜質進入軸承。
圖2 軸承內外圈剝落示意圖
3 軸承保持架損壞
如圖3所示，保持架的兜孔接觸面呈現出嚴重的塑性卷邊變形，同時伴有明顯的劃痕。這些劃痕的產生，部分是由于滾動體表面粗糙，導致在與保持架接觸時產生摩擦，形成大量絲狀切屑，這顯著加劇了保持架的磨損。因滾道和滾動體的頻繁互動，使得保持架承受著持續的疲勞應力，這不僅可能導致其幾何形狀的改變，磨損速度加快，甚至可能引發斷裂，從而對齒輪箱的性能產生負面影響，如溫度升高和噪聲增大，對發電機組的穩定運行構成了潛在威脅。
保持架的損傷并非孤立事件，它可能源于安裝過程中的疏忽，例如未正確對齊或緊固，或者使用操作不當，如過度負載或不恰當的維護頻率。此外，意外的沖擊，如振動或沖擊載荷，也可能導致保持架受損。而潤滑狀況的不良，如潤滑劑質量差、供應不足或潤滑系統故障，是保持架磨損和故障的另一個關鍵因素。因此，全面考慮和優化這些因素對于防止保持架損壞，確保風電設備的高效運行至關重要。
圖3 調心滾子軸承保持架變形
4 軸承滾子
如圖4所示，調心滾子軸承的后排滾動體出現的劃痕特征表現為接觸表面的環形凹槽。由于滾動體無法有效碾壓硬質顆粒，這些顆粒會嵌入滾道和滾動體之間。這導致滾道和滾動體之間形成環形劃痕，滾動體表面因此失去原有的金屬光澤，顯得粗糙，呈現出灰色。每個滾動體的端面都可見到明顯的壓痕和劃痕，同時伴隨著滾動體邊緣的疲勞剝落現象。接觸疲勞剝落發生在滾子表面，往往也伴隨著疲勞裂紋，首先從接觸表面以下最大交變切應力處產生，然后擴展到表面形成不同的剝落形狀，如點狀為點蝕或麻點剝落，剝落成小片狀的稱淺層剝落。由于剝落面的逐漸擴大,而往往向深層擴展，形成深層剝落。深層剝落是接觸疲勞失效的疲勞源。由此可知，軸承的潤滑及維護管理也是預防滾子表面發生疲勞剝落的重要措施。正確的潤滑可以減少軸承的表面磨損，同時也能夠有效承載旋轉載荷，減少軸承剝落的發生。及時更換潤滑油和清洗軸承，加強軸承的維護管理也是預防軸承剝落的常用方法之一。
圖4 滾動體故障示意圖
綜上所述，針對異常運行的主軸軸承，可采用清理軸承室內潤滑脂、縮短注油周期等方法，以減緩主軸軸承的劣化趨勢。然而，如圖1-1軸承滾道已磨損至失效，機組仍在服役期內，因此只能更換主軸軸系來解決問題。大部件吊裝下塔不僅直接導致風電場生產效益損失，還帶來高風險的吊裝作業。因此，及時有效地進行技術干預，延長固定端軸承的使用壽命在風電后市場顯得尤為重要。
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