风电轴承失效模式与故障模式及诊断方法研究进展.docx

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1、风电轴承失效模式与故障模式及诊断方法研究进展轴承是风电机组的关键部件,在恶劣工况下工作容易出现过早失效。首先,以风电机组的主轴、变桨与偏航、齿轮箱、发电机等轴承应用部位作为出发点,对风电轴承的应用形式进行了总结;其次,介绍了风电轴承的主要失效形式（微剥落、微动磨损、白蚀裂纹、电蚀）并对失效原因和解决措施进行了分析；然后，从研究方式的角度，阐述了有限元法与试验法的研究成果；最后，提出风电轴承力学特性的分析以及失效模式的形成机理研究有待进一步深入，后续研究应注重于建立考虑设计及装配参数的耦合动力学模型，并进行更完善的试验设计以深入分析轴承的失效机制。近年来,作为清洁、可再生能源的风能成为实现碳中和

2、目标必不可少的重要力量1。目前风力发电正处于高速发展阶段,其装机总量已占我国新能源装机总量的30.44%（截至2021年）,成为继火电和水电之后的第三大发电能源,预计到2030年我国装机容量将达到全球的20%2-3o风力发电机通常坐落于偏僻、交通不便、环境恶劣的远郊地区以及沿海、近海区域,风电机组通常安装在几十米的高空,检修及更换困难且成本高,传动系统失效时停机时间长且维护费用昂贵,将直接导致风电机组发电效率降低及运行维护成本的增加。陆上和海上风电机组的运行维护费用分别占其总收入的10%20%和25%30%4,降低传动系统失效率对于减少运行维护费用及增加收入具有重要意义。传动系统由主轴、变桨、

3、偏航、发电机及齿轮箱等部分组成,大都采用滚动轴承支承,少量采用滑动轴承。轴承在交变载荷、变风速、偏载等恶劣环境下工作导致其工作寿命往往低于20a的设计使用寿命,由轴承引起的传动系统故障占比高达30%5,为尽可能避免轴承过早失效引起停机所造成的经济损失,需理清传动系统轴承的失效原因,提供更好的解决措施以减少运维成本。基于上述原因，本文对轴承应用形式进行归纳,总结传动系统轴承的主要失效形式，从轴承失效原因、解决措施及研究方式着手对国内外的研究成果进行系统评述，提出目前研究中存在的问题并展望进一步的研究方向。1轴承应用形式如图1所示,轴承是风电机组的基础部件,根据不同工况以及应用部位（如主轴、偏航与

4、变桨系统、齿轮箱和发电机）选择不同的轴承类型与组合形式,为传动系统提供支承并减小运行时的摩擦磨损。发电机轴承齿轮箱轴承主轴轴承偏航轴承变桨轴承图1风电机组传动系统轴承示意图Fig.lDiagramofwindturbinedrivesystembearings1.1 主轴轴承主轴起支承轮毂与叶片,传递扭矩至齿轮箱的作用,主轴轴承则承受风力,主轴及齿轮箱的重力产生的载荷以及轴向载荷和倾覆力矩。主轴具有很大的跨度,色产生弯曲变形,要求主轴轴承具有一定的调心能力,常用的结构形式如图2所ZjO调心滚子轴承圆柱滚;轴承双列圆锥滚子轴承图2风电机组主轴轴承结构示意图Fig.2Structurediagra

5、mofwindturbinemainshaftbearings根据风电机组的发电功率、结构、工况等条件,主轴轴承采用不同的配置方式以保证主轴运转的平稳性,目前常用的有单点支承、两点支承及三点支承:1）单点支承多用于直驱、半直驱风电机组,其齿轮箱体与主支架为一体化设计,只使用一套轴承支承主轴,轴承承受全部载荷,通常使用大直径的双列圆锥滚子轴承或三排圆柱滚子轴承。2）两点支承通过独立安装在主机架上的轴承支承主轴,靠近风轮侧的轴承作为自由轴承,靠近齿轮箱侧的轴承作为固定轴承承受轴向载荷,轴承的配置方式见表17,2套轴承同时承受径向载荷,塔架和主支架承受弯矩,主轴仅向齿轮箱传递扭矩。表1两点支承轴承的

6、配置方式Tab.1Configurationoftwopointsupportbearings主轴侧齿轮箱侧调心滚子轴承调心滚子轴承调心滚子轴承快I柱滚子轴承双列网锥滚子轴承圆柱滚子轴承单列圆锥滚子轴承单列圆铢滚子轴承3）三点支承使用一套轴承作为固定端轴承,为保证与输入轴的同轴度,固定端轴承采用调心滚子轴承;齿轮箱侧则安装2套支承轴承作为自由端轴承,通常采用双列圆锥滚子轴承及圆柱滚子轴承,用于承受部分径向载荷和轴向载荷。1.2 偏航、变桨轴承偏航与变桨系统需要根据风速的大小和方向随时调整叶片桨距和迎风角度以获取最佳风量,从而保证风电机组稳定的输出功率。偏航、变桨轴承在工作中受多向载荷、扭矩及倾

7、覆力矩的共同作用,具有频繁变动、摆动速度低、重载等工作特点,滚动体一直处于微动状态,难以在接触区域形成有效的润滑油膜。目前,偏航、变桨轴承多为转盘轴承（图3）,具体类型包括单排四点接触球轴承、双排四点接触球轴承、交叉圆柱滚子轴承以及三排圆柱滚子轴承。另外,根据驱动方式的不同,也可分为内齿式、外齿式、内齿式加外齿式3种结构形式。双排四点接触球轴承三排圆柱滚子轴承图3偏航、变桨轴承结构示意图Fig.3 Structurediagramofyawandpitchbearings1.3齿轮箱轴承由于主轴转速较低,需采用齿轮箱将主轴转速(1015rmin)增速至发电所需转速(12001500rmin)。

8、齿轮箱常用三级传动,输入端为一级行星轮,中间轴及高速轴采用二级平行轴传动。齿轮箱传动比大,承受的扭矩和转速波动范围大,载荷易发生突变,导致各位置轴承的受力方式不同。具体的齿轮箱轴承应用形式见表2网,其中:SRB为调心滚子轴承;TRB为圆锥滚子轴承;CRB为圆柱滚子轴承;FCCRB为满装圆柱滚子轴承;4PCBB为四点接触球轴承。表2齿轮箱各位置轴承的应用形式Tab.2Applicationformsofbearingsateachpositionofspeedincreasinggearbox使用位置轴承应用形式行星齿轮支座FCCRB,SRB,TRB行星齿轮SRB,CRB,FCCRB,TRB自由

9、端:SRB,CRB,FCCRB诋坯刑固定端:SRB,TRB,FCCRB自由端:FCCRB.SRB1II11JWI固定端：SRBtTRB.CRB+4PCBB自由端:TRB,SRBwjJWI固定端:TRB,SRB,CRB+TRB随着风电机组功率的提高,滑动轴承因其承载能力强、体积小、制造及维护成本低等特点,开始逐步在风电机组齿轮箱中得到应用。风电机组受到偏航力矩、风轮重量等非扭载荷,而且齿轮箱内存在复杂的结构耦合变形,容易引起滑动轴承轴颈一轴瓦边缘接触,导致轴承过早失效。目前,通过“径向滑动轴承+推力滑动轴承”的组合设计使滑动轴承能够承受非扭载荷,并采用柔性销的滑动轴承设计,以改善非扭载荷下滑动轴

10、承的受力状态9,其设计结构如图4所示。图4滑动轴承结构设计示意图Fig.4 Structuredesigndiagramofslidingbearing1.4发电机轴承发电机轴承的组配形式较多,最常见的是深沟球轴承与圆柱滚子轴承的组合,圆柱滚子轴承承受较大的径向载荷,深沟球轴承承受一定的轴向载荷。2主要失效形式与常规工况下运行的精密轴承不同,风电轴承运行过程中会出现超载及载荷局部集中等情况,其失效形式也不再以长期运行出现的磨损失效为主,而是出现局部剥落,微裂纹扩展等导致轴承提前失效。据统计,风电机组传动系统轴承90%的失效由润滑不良(30%)、装配不规范(40%)及制造缺陷(20%)引起10。

11、进一步的研究指出,齿轮箱轴承最容易失效,其次是主轴轴承、变桨和偏航轴承以及发电机轴承11,其对应的主要失效形式分别为白蚀裂纹、微剥落、微动磨损与电蚀12。白蚀裂纹(图5)不同于局部剥落失效,而是滚动接触疲劳早期次表面显微组织变化后由组织异物及其他因素引起的裂纹扩展,目前尚未对其失效原因形成共识,通常在轴承寿命的10%20%时出现13。图5风电轴承的白蚀裂纹Fig.5 WECofwindturbinebearing微剥落通常发生在混合润滑或边界润滑条件下,因滚动体的滑动或打滑引起较高的切向剪切应力,使其接触区域发生油膜破裂,致使粗糙峰之间直接接触,造成表面极小材料的剥落,形成微剥落。许多微剥落聚

12、集在一起呈现灰色的裂纹状态14。微动磨损是由滚动体与滚道接触面之间产生微小幅度的相对运动(微动)所引起的复合磨损,其基本形式分为切向式、径向式、滚动式和扭动式。微动磨损的失效形式为伪布氏压痕和微动腐蚀:伪布氏压痕出现在微动初期,接触表面存在润滑脂的边界润滑,其磨损机理是滚动幅度稍大,与自然氧化层形成轻微黏着,磨屑为黑色的Fe3O4;微动腐蚀发生在无润滑状态,磨损机理是严重黏着,并穿过自然氧化层与母体材料形成冷焊,磨屑为暗红色的(X-Fe203,当微动幅度变大,将润滑脂带入接触区形成边界润滑时,又将产生伪布氏压痕。电蚀是由内圈、外圈、滚动体及其之间的润滑油膜等效成电容,当轴电压超过油膜阈值电压时

13、产生发电现象,在滚道表面产生局部高温而形成的局部熔融坑。在机械载荷作用下,熔融坑逐渐累积并形成条纹状凹槽15,典型的风电机组发电机轴承电蚀失效如图6所示。图6风电机组发电机轴承电蚀失效Fig.6 Electricerosionfailureofwindturbinegeneratorbearing另外,根据风电机组现场轴承失效统计数据:磨损、软带裂纹、套圈断裂、保持架破损或断裂（图7）以及由于局部接触疲劳引起的密封失效与润滑不足导致轴承过热等均是风电轴承常见的失效形式,其中由磨损导致的异常振动严重影响轴承寿命16。图7风电机组转盘轴承保持架断裂Fig.7 Fractureinwindturbi

14、neslewingbearingcageFig.8 解决措施研究现状以主轴轴承、变桨、偏航轴承、齿轮箱轴承与发电机轴承为例,介绍传动系统轴承的失效原因与解决措施的研究现状。3.1 主轴轴承当采用调心滚子轴承时,影响主轴轴承失效的主要因素为剥落。由于转速慢,难以在接触区域形成有效的润滑油膜,接触区域内由于滚子微动作用而产生较高的剪切应力,使滚道表面出现微剥落失效,而不是滚动接触疲劳。文献17以230/600系列调心滚子轴承为研究对象,指出调心滚子轴承具有特殊失效模式,即首先会在滚道表面出现规则的棱纹,然后再出现微小的疲劳裂纹,最后产生疲劳剥落;如图8所示,左图为失效初期滚道表面受微塑性流动作用在

15、中心出现的2条规则棱纹,右图为完全失效时滚道表面在接触边缘部分产生应力集中,裂纹由边缘向中心扩展,同时滚道中心在剪切应力作用下产生的疲劳剥落。文献18对230/600系列调心滚子轴承微剥落失效的影响因素进行研究,指出轴承在迎风侧受载,逆风侧不受载,内圈上产生了不均匀的载荷及应力分布,从而加速了轴承的剥落失效。图8230/600系列调心滚子轴承剥落失效Fig.8Spallingfailureof230/600seriessphericalrollerbearing文献19针对某风电场失效的240/530系列调心滚子轴承进行理化检验,发现轴承在运行过程中承受了较大的轴向载荷,偏载导致其无法调心,一

16、侧滚道及滚子表面出现疲劳剥落。文献20通过分析某风电场失效的主轴轴承,发现热处理不当是造成圆锥滚子轴承失效的主要原因,渗碳层深度、滚动体和内、外圈硬度不合格使得滚动体表面受损、破裂并挤压滚道。文献21针对某3MW风电机组圆锥滚子轴承运行中发生提前失效,保持架断裂且内圈与滚子发生严重摩擦磨损从而导致机组停机的问题进行分析,确定主轴轴承密封圈唇口损坏而产生润滑脂泄漏,没有及时调整加注周期和加脂量是该主轴轴承的失效原因。文献22通过对三排圆柱滚子轴承的滚道、螺栓组及轴承寿命计算发现轴向滚子受力时易产生滑动,温度过高导致润滑脂失效。上述工程案例分析表明,规范安装工艺流程,增强密封圈唇口耐磨性,更换保持

17、架材料,保持良好的润滑状态及足够的硬化层深度和硬度是提高轴承寿命的重要措施。如文献23针对某风电场1.5MW风电机组主轴轴承由于密封失效造成润滑脂泄漏,导致外界微小颗粒杂质侵入使得轴承过早失效的问题,通过优化油封结构,合理选择油封材料和规范油封安装工艺等措施有效解决了密封失效问题。国内外学者针对风电机组主轴轴承失效的解决措施进行了大量的研究。在主轴轴承结构创新方面,TIMKEN公司开发了TDI型双列圆锥滚子轴承,SKF公司开发的鹦鹉螺双列圆锥滚子轴承可直接安装在主轴上,减小安装误差并有效减少轴承运转时的振动与微动磨损24。脂润滑轴承能在较恶劣的环境下工作且具有良好的密封性能,因此风电机组主轴轴

18、承常采用脂润滑方式。文献25将高低温性能、极压抗磨性能、抗水和防锈性能作为指标研制新型润滑脂,通过SRV抗微动磨损试验机进行往复试验并通过FE8轴承磨损试验机进行测试,结果表明该新型润滑脂可以满足主轴轴承的润滑需求。文献26设计了主动式废油回收装置并成功应用于风电机组主轴轴承,有效解决了轴承腔内废油脂流不出,新油脂进不去的问题。文献27根据轴承加注油脂的用量和周期设计了双线集中润滑系统,并将废油回收装置并入双线润滑系统中组成新的设计方案,试验结果表明该方案能够确保主轴轴承良好的润滑状态。文献28指出相较于黑化处理,WCaC:H类金刚石涂层应用在滚动体上可有效减少滚动体磨损和微剥落失效;文献29

19、指出边界润滑条件下,W-aC:H涂层具有很高的耐磨性及硬度,可大幅提高轴承疲劳寿命。对轴承进行渗碳及碳氮共渗处理可提高轴承硬化层深度,如NSK公司使用自主研发的新型HTF钢及STF钢并进行碳氮共渗处理,大幅提高了风电机组主轴轴承的硬度及疲劳寿命。3.2 变桨、偏航轴承变桨、偏航轴承长期处于静止或微幅摆动的工作状态,即使在风电机组停机状态,轴承依然会受到气流的作用而产生微幅振动,故微动磨损是其主要失效模式30;另外,由温度、风沙、雨雪等带来的微动腐蚀也加剧了轴承的微动磨损。除了存在切向微动、径向微动、滚动微动和扭动微动及其组成的复合微动外,还存在变桨及偏航过程中的往复摆动,使滚动体在滚道表面发生

20、往复HeathCOte滑动而引起的微动31。当微动磨损产生的压痕和腐蚀坑扩展至一定程度时,接触面之间摩擦力矩增大的同时会产生异常振动和冲击,导致变桨困难;严重时会导致微动裂纹的萌生和扩展,直至套圈断裂。变桨、偏航轴承的主要失效形式如图9所示。图9微动磨损及套圈断裂失效Fig.9 Frettingwearandfracturefailureofring为预防微动磨损,润滑油脂应具有合适的稠化剂与抗磨添加剂,接触面之间应具有合适的润滑油脂含量,从而有效降低接触面之间的摩擦力矩。文献32指出润滑对变桨轴承的磨损具有减缓作用,应提高润滑脂的抗微动磨损、抗氧化和抗腐蚀性能。文献3引通过SRV抗微动磨损试

21、验台和FE9轴承寿命试验台对新研制变桨轴承润滑脂的理化性能、抗微动磨损性能进行测试,结果表明其摩擦学性能以及寿命均达到或超过了进口润滑脂,能够满足兆瓦级风电机组变桨轴承的润滑要求。文献34通过选择合适的基础油、稠化剂、抗磨极压剂、抗氧剂等使新研制的转盘轴承润滑脂具有良好的抗微动磨损性能。文献35则首次发现将MoDTC,MoDTP和ZnDTP作为添加剂加入润滑脂时可以有效减少轴承的微动磨损。文献36指出应每隔一定时间就重新分配润滑油，从而延长变桨、偏航轴承的使用寿命。文献37根据风电机组工况条件及运转状况设计了变桨轴承自润滑系统。在设计参数和力学参数上降低接触面之间的摩擦力矩,避免轴承产生微动磨

22、损。文献38建立了单排四点接触球轴承的静力学模型,分析了几何参数及材料特性对接触摩擦力矩的影响,发现重载时由弹性滞后引起的摩擦力矩增加,增大接触角可以降低摩擦力矩,增加沟曲率半径系数会降低自旋引起的摩擦力矩。文献39对双排四点角接触轴承摩擦力矩进行数值分析指出，在较小倾覆力矩下,初始接触角为50。,游隙为0-0.05mm,沟曲率半径系数为0.5300.540时,选择较小的球组节圆直径有利于减小摩擦力矩。文献40测试了四点接触球轴承在极端载荷下的摩擦力矩与刚度、温度之间的关系,发现轴向刚度对摩擦力矩的影响大于径向刚度,温度对摩擦力矩没有明显的影响。变桨、偏航轴承在运转、承载过程中还容易出现软带裂

23、纹,主要因素为原材料的质量不合格或热处理工艺不规范,可以通过规范热处理工艺,选用合格的原材料,对软带区进行磨凹处理来预防软带区裂纹的产生41。断裂失效是变桨、偏航轴承裂纹扩展严重时的失效形式。由微动磨损产生的微动裂纹在交变应力和湿度、温度的作用下,会在套圈上萌生裂纹及微动腐蚀,直至套圈断裂。文献42对某风电场投入运行2a后发生套圈断裂的变桨轴承进行的有限元分析与理化检测结果表明,采用工程算法设计导致轴承的疲劳强度不足,螺栓孔内壁的锈蚀坑形成裂纹源并扩展直至断裂失效（图10）o文献4引认为除螺栓孔锈蚀外,加工过程中产生的微裂纹在轴承运行过程中受循环应力的作用而扩展也是导致轴承套圈断裂的原因。文献

24、44对某风电场变桨轴承外圈安装孔处宽约5mm的裂纹进行分析,认为螺栓松弛导致安装孔位置拉应力增加是导致套圈开裂的主要原因。图10螺栓孔处断裂失效物理图Fig.10 Physicaldiagramoffracturefailureatbolthole综上所述,在轴承设计阶段引入有限元分析校核可有效弥补工程算法的不足;在螺栓孔内部与滚道表面进行防腐处理,加工过程中规范加工工艺,减少微裂纹产生以及高加工精度和热处理工艺,规范安装工艺,定期检查固定螺栓的预紧力等是提高变桨轴承寿命的重要措施。轴承表面与螺栓孔内壁应进行防腐涂层和表面硬化处理。文献45指出使用MC/-aC:H涂层可有效抑制伪布氏压痕和微动

25、腐蚀的产生,提高边界润滑条件下的轴承疲劳寿命。文献46在钢球表面镀覆Ni-W-PZBN多元复合涂层并通过试验验证其具有良好的减摩润滑性能,能够相对减少微动磨损。文献47指出偏航轴承在一定交变载荷作用下,硬化层损伤最大值发生在接触区域硬化层下一定深度处,表面硬化层应具有足够的淬硬层深度。文献48指出淬火表面硬化后应力值虽有所增加,但轴承寿命随硬化层深度及残余应力增加呈近似线性关系,滚道硬化层深度应达3mm以上,表面硬度应不低于57HRCo因此,可应用贝氏体淬火技术以及渗碳、渗氮和碳氮共渗处理有效提高淬硬层深度。如贝氏体淬火技术中新发现硬贝氏体组织在保留与马氏体相当硬度的同时,具有与常规贝氏体组织

26、更高的韧性和表面残余应力。3.3 齿轮箱轴承齿轮箱连接主轴及发电机,需要承受较大的扭矩及载荷,齿轮箱中容易失效的轴承分别为高速轴轴承、行星轮轴承以及中间轴轴承。高速轴轴承在高速轻载条件下工作,易出现打滑、滚道划伤或微剥落,是50%以上齿轮箱故障的主要来源49;打滑的常见解决方式是在轴承上增加抗磨涂层,或使用单列圆锥滚子轴承,利用其纯滚动特性有效降低打滑。行星轮轴承通常由一对满装圆柱滚子轴承组成,轴承与行星轮内孔配合不紧密的情况下,齿轮变形引起的接触面积减少会造成偏载,导致外圈跑圈及磨损50,可采用柔性套销轴结构或无外圈结构。由于安装误差、不良润滑条件及受力等因素影响,中间轴轴承的失效形式呈多源

27、化特征。文献51根据某风电机组齿轮箱的失效原因,总结了齿轮箱轴承失效的内在关系,如图11所示。失去作用异常噪声套圜螭变 不对中过热失效图11齿轮箱轴承失效影响因素及失效模式内在关系Fig.l1Factorsinfluencingfailureofspeedincreasinggearboxbearingandinternalrelationshipamongfailuremodes滚动接触疲劳是导致轴承失效的主要原因,由滚动接触疲劳引起的轴承失效表现形式主要有轴向裂纹以及表面剥落。近年的研究发现,白蚀裂纹是导致风电机组齿轮箱轴承出现轴向裂纹和表面剥落的最主要因素24,如图12、图13所示。图1

28、2表面剥落及其微观组织图像Fig. 12 Surfacespallinganditsmicroscopeimage图13轴向裂纹及其微观组织图像Fig. 13 Axialcracksandtheirmicroscopeimage331白蚀裂纹的形成机理白蚀裂纹的形成机理尚未形成共识,目前大多研究将白蚀裂纹形成机理分为次表面萌生型和表面萌生型52。次表面萌生机理认为氢元素渗入轴承次表面引起了“氢脆”反应53;表面萌生机理则认为轴承表面由于滚动接触疲劳作用或自身加工缺陷使表面形成裂纹并导致润滑油进入裂纹,新生裂纹的金属表面在疲劳载荷作用下与润滑油摩擦产生高温高压,促进润滑油分解产丝氢离子,在靠近裂

29、纹尖端部分形成新的白蚀区(WEA),加速裂纹扩展,如图14所示54。图14润滑油进入导致的白色裂纹扩展Fig. 14 Whitecrackpropagationcausedbylubricatingoilentry由氢元素所引起白蚀裂纹的形成机理如图15所示55。滚动体与接触表面之间的润滑油膜在疲劳载荷作用下产生高温高压,在金属催化作用下分解出氢原子及离子,氢原子吸附在滚道与滚子的接触面上并向金属内部扩散,在次表面最大切应力处聚集,当氢元素含量大于临界值时会产生白色组织剥落。次表面最大切应力处奥氏体晶界部分为氢元素聚集的优先部位,白蚀区会在此处形成。白蚀裂纹由白蚀区进一步发展而来,在疲劳载荷下

30、,裂纹上下表面之间的反复摩擦与碰撞导致周围的组织发生塑性变形,使其在白蚀区萌生和扩展56。Fig.15Formationmechanismofhydrogenembrittlement3.3.2非金属夹杂物对白蚀裂纹的影响除氢元素能够促进白蚀区的形成之外,轴承钢内的非金属夹杂物也是一个重要因素。轴承钢内非金属夹杂物在剪切应力的作用下产生应力集中,导致材料基体与非金属夹杂物之间脱离或萌生裂纹。同时,非金属夹杂物的弹性模量、形状以及热膨胀系数的不同则加速了裂纹的萌生和扩展,即非金属夹杂物加速白蚀区形成57。非金属夹杂物受到最大剪切应力(45。)作用,白蚀区通常在沿滚动方向30。50。夹角方向成对出

31、现,通常呈蝴蝶状,也被称为蝶状组织,如图16所示58。图16蝶状组织特征Fig.16CharacteristicsofWEA非金属夹杂物主要为硫、硫化物以及氧化物。文献59认为MnS是白蚀区形成的主要因素,裂纹在纵向和轴向上扩展形成蝶状组织,有限元计算结果与实际结果具有较高的吻合度。另外,夹杂物的含量、大小及类型对白蚀裂纹具有重要的影响。文献60利用FAG-FE8试验机对不同含量夹杂物的套圈和滚子进行测试,结果表明夹杂物含量的降低可以有效抑制次表面白蚀裂纹的产生;文献61进一步指出引发次表面裂纹的硫化镒夹杂物的大小仅为20m,夹杂物越小则越有利于裂纹的萌生;文献62指出双相氧化物（氧化物+硫化

32、物）相较于硫化物更容易引起裂纹萌生。3.3.3白蚀裂纹的预防白蚀裂纹失效的预防方法主要是减少氢元素的富集、渗透并减少轴承钢中非金属夹杂物的含量。在轴承表面镀银可以有效抑制氢元素的渗透,从而降低钢中的氢元素含量。在制造过程中对轴承进行发黑处理,即在轴承表面形成一层成分为Fe3O4的黑色氧化物可以有效减少轴承的腐蚀和白蚀裂纹的产生63。对轴承钢进行碳氮共渗处理,增加表面碳氮化物数量,可在提高轴承表面耐磨性的同时抑制活性金属和氢元素的产生。通过增加轴承钢中的Cr含量或V含量并进行合适的热处理可以有效阻止氢元素的渗透及扩散66,也可通过提升治金工艺减小轴承钢中的氧及夹杂物含量,从而有效抑制白蚀裂纹的萌

33、生。3.3.4滑动轴承失效机理研究现状目前,为降低运维成本,已有一些风电机组的齿轮箱开始应用滑动轴承,滑动轴承的失效研究也将是未来关注的重点。文献64研究了某风电机组齿轮箱滑动轴承的失效,指出滑动轴承的失效形式表现为机械损伤、轴承烧熔损坏及合金层腐蚀;装配间隙过小导致接触面无法形成润滑油膜,轴颈与轴瓦接触导致局部高温,润滑油成分和密封不合格导致合金层腐蚀等因素是滑动轴承失效的主要原因。对于滑动轴承,同样需要优化轴承设计参数并合理选材。如西安交通大学开发了风电滑动轴承计算软件,可以计算宽径比、相对间隙等参数,为滑动轴承的优化设计提供理论指导;针对风电机组使用工况,可使用强度和硬度更高的锡铅基合金

34、,以提升滑动轴承的抗疲劳能力;另外,规范滑动轴承的装配工艺,确保装配间隙合理、均匀,对密封和润滑油进行定期检查和维护等措施均可有效提高滑动轴承的使用寿命。3.4发电机轴承发电机位于风电机组机舱内,维护空间狭小,更换成本高,由轴电压及轴电流引起的电蚀是其发电机轴承最常见的失效模式65。文献66则指出双馈机组比直驱和半直驱机组发电机轴承的电蚀更严重,出现时间也更早。如某风电场1.5MW双馈机组运行2a后发电机轴承就出现了电蚀、润滑脂结块等情况,通过增加加油量,缩短时间间隔,使用绝缘轴承,规范轴承更换与机械对中工艺等措施后,该发电机运行良好且未再出现轴承电蚀67。研究表明,双馈机组普遍采用PWM控制

35、的绝缘栅双体晶体管(IGBT)电源型交流器以及发电机中存在的固有杂散电容是轴承电蚀故障频发的主要原因68。文献69指出发电机中的轴电流主要有高频电流、静电放电电流、环流以及转子轴电流4种类型(图17)o文献70则从共模电压、静电轴电压、磁路不均衡及接地电阻不良4个方面阐述轴电流的产生机理,认为轴不对中、交流器的高频电压、润滑不良、绝缘性能不良是产生轴电流图17双馈风力发电机轴电流类型Fig. 17 Typeofshaftcurrentofdoubly-fedwindturbine对于条纹状凹槽的形成机理:文献71认为滚动体通过本已存在的凸起后出现撞击坑,从而形成条纹状凹槽;文献72则认为条纹状

36、凹槽的形成分为微裂纹、条纹2个产生阶段;滚动体在经过微裂纹时会引起共振效应,其波纹的特征为微裂纹的堆积。轴承在预载或较低载荷下运行时易出现条纹状凹槽,伴随条纹状凹槽还有“结霜失效,即在轴电流作用下金属表面分解出氧化铁,润滑脂和滚道均呈现黑色外观7引。降低轴电压及轴电流是避免轴承电蚀的相应解决措施。文献69在发电机中增加接地碳刷的数量有效降低了轴电压,从而保障了风电机组的平稳运行;文献74引入锂盐作为润滑脂导电剂,可以大幅降低润滑脂的体积电阻率和导电性,同时也可形成化学反应膜,从而起到减磨的作用;文献75向润滑脂中加入添加剂并研究其导电性,发现极压抗磨添加剂可提高润滑脂导电性,从而显著提高击穿电

37、压。切断轴电流的闭合回路,对滚子表面进行喷涂使滚子与滚道之间绝缘是目前应用最广泛的轴电流解决措施,文献76对A12O3以及A12O3+TiO2这2种绝缘涂层进行了比较,结果表明混合TiO2的绝缘涂层具有更好的耐磨性和绝缘性。安装共模扼流圈抑制轴电流,发电机多点接地释放轴电流以及规范安装方式等措施均可有效抑制轴电流。4轴承失效分析方法目前国内外学者主要采用有限元法和试验法对风电轴承的力学特性和失效原因展开研究。随着计算机技术的发展,风电轴承设计阶段的力学特性研究逐渐由早期的工程算法过渡到有限元法,试验法则主要对轴承失效影响因素进行分析。17.1 限元法有限元法能够通过有限的单元来离散结构,获得比

38、较准确的结果。在轴承的设计阶段引入有限元分析轴承的力学特性可有效弥补工程算法的不足,提高设计效率并降低研发成本。文献77以风电主轴轴承230/670CA/W33为研究对象,利用ANSYS分析了载荷及滚子形状对接触应力的影响,并根据修正线接触条件设计滚子和滚道曲率半径,为调心滚子轴承优化提供了指导;文献48建立偏航轴承有限元模型分析游隙、接触角对应力及载荷分布的影响,但存在计算规模大且计算时间长等问题。文献78使用GAP单元模拟主轴轴承滚子建立有限元模型,分析了两点支承轴承的载荷分布及变形。文献79采用非线性弹簧单元代替滚动体建立变桨轴承有限元模型,分析了静态载荷作用下轴承接触角、载荷分布及接触

39、应力的变化,结果如图18所示;文献80则进一步考虑了柔性支承刚度对偏航轴承滚道接触载荷的影响,发现滚道接触载荷随着支承刚度的减小逐渐增加。文献81利用超单元建立变桨轴承有限元模型,分析了轴承的载荷分布及结构变形,结果如图19所示;虽然简化模型能提高计算效率,获得较精确的计算结果,但与真实的载荷分布存在较大偏差。以上研究均是基于静态载荷下的轴承力学特性变化,文献82则将轴向载荷和倾覆力矩共同作用下的静态接触应力作为瞬态动力学的初始条件分析偏航轴承的动态特性,为轴承动态特性分析提出了一种新方法。刚性杆刚性杆四点接触球轴承载荷/kN 一内圈上表面图18非线性弹簧单元及载荷分布Fig. 18 Nonl

40、inearspringelementandloaddistribution图19超单元滚道接触示意图Fig. 19 Diagramofsuper-elementracewaycontact借助有限元法计算轴承力学特性的同时,也为轴承的寿命预测提供了新的解决方法,如文献83基于不同游隙下轴承接触应力的变化,提出了一种快速预测主轴轴承疲劳寿命的方法。文献84以某三排圆柱滚子主轴轴承为例，利用Workbench对极限载荷下的应力进行分析,并利用ncode软件预测轴承疲劳寿命；文献85建立了考虑轴向载荷和径向载荷的有限元模型计算主轴轴承的应力分布,为预测轴承寿命提供理论依据。4.2试验法试验法多用于对

41、微动磨损、白蚀裂纹、轴电流等现象进行研究分析。微动磨损是变桨、偏航轴承的主要失效形式,目前国内学者主要研究轴承的设计参数和力学参数对微动磨损的影响。文献30基于自行设计的微动磨损试验台分析沟曲率半径系数与初始接触角对变桨轴承滑动微动以及径向和切向组成的复合微动磨损的影响,结果表明沟曲率半径系数（约0.53）比普通轴承稍大,初始接触角为45。时有利于提高轴承抗微动磨损的能力。文献31通过微动模拟试验得出,随着载荷和摩擦因数的增大,滚子的差动滑动减小,其接触运动逐渐转化为纯滚动。文献86以MPR试验台（图20）为研究对象,分析润滑对白蚀裂纹的影响。文献87研究发现不同添加剂的润滑脂导致轴承寿命存在

42、明显差异,为此文献88进行了4组不同白蚀裂纹机理的试验,发现含有ZDDP添加剂的润滑脂最容易出现白蚀裂纹。文献89发现不同添加剂的润滑脂均会导致白蚀裂纹,相对润滑厚度是影响白蚀裂纹的重要因素;文献90则指出,当0.06WW0.7时白蚀裂纹的损伤程度随着减小而增加,当0.5时润滑脂才会加速白蚀裂纹的产生90。图20MPR试验台Fig. 20 MPRtester文献91研制了电蚀试验机（图21）研究轴电流对轴承微观结构的影响,其可施加0750mA的交流电以进行疲劳寿命试验,研究结果表明当电流在2575mA时容易产生电蚀,进而导致轴承过早失效。然而,上述试验装置将轴电流作为外加条件,未考虑轴电流与轴

43、承摩擦接触之间的关系。为研究摩擦电损伤类型与损伤机制,文献92研制了FTM-CFIO00型滚动载流摩擦试验机，研究了不同转速下的轴电流击穿特性，发现电流击穿是产生电损伤的必要条件,损伤形式包括剥落、球状颗粒和片状结构等。图21电蚀失效试验机Fig. 21 Electricerosionfailuretester5总结与展望风电机组不同部位轴承的结构差异较大且受教不同,针对风电轴承的应用形式和工作环境,对风电机组不同部位轴承的失效原因、解决措施以及研究方式进行分析,提出以下观点:1）风电轴承设计阶段的力学特性大多采用有限元仿真分析,但需要高质量的网格才能保证计算结果的准确性,存在网格数目多，计算

44、规模大等问题;而采用非线性弹簧与超单元代替滚动体则与轴承实际受力存在一定偏差。2）风电轴承失效形式的形成机理尚未清晰,尤其是齿轮箱轴承白蚀裂纹的产生机理还未形成统一认识,尚未达成成熟的维护措施;迫切需要深入结合轴承结构及工作特点,从有限元法和试验法入手,分析不同因素对轴承失效形式的影响。针对风电轴承的设计、装配以及服役阶段的需求,建议从以下2个方面开展工作:1）建立综合考虑轴承设计参数（接触角、游隙、沟曲率半径系数等）的动力学模型,分析不同设计参数下轴承的力学特性;在前者基础上进一步建立计入轴承装配参数（安装游隙、装配误差等）的耦合动力学模型,分析装配参数对轴承及整体结构的变形与承载的影响,为

45、轴承的设计装配提供理论指导。2）开展计入不同因素的试验研窕并结合实际工程案例深入分析轴承的失效机制（白蚀裂纹、微剥落等）;从涂层、润滑脂和热处理3个方面入手进行相应研究,以提高轴承使用寿命,减小维护成本。参考文献：UJ郑新锌.金风科技:助力“双碳”目标风光前景无限N.中国城市报.2021-09-06.2周剑平,李世民.光伏、风力发电助推甘肃省经济发展和实现“双碳”目标J.太阳能,2022（4）:13-19.孙荣富,徐海翔,吴林林,等.中国区域低温天气及其对风力发电影响的统计J.全球能源互联网,2022,5（1）210.14罗方正.风电机组偏航系统运行特性分析D.北京:华北电力大学（北京）,20

46、17.5李萌.双馈型风电机组主轴轴承选型设计方法的研究D.北京:华北电力大学（北京）,2018.6何加群.论我国重大技术装备轴承的自主安全可控J.轴承,2022（1）:1-17.7程林志,曹胜平,刘晓辉.兆瓦级风电机组主轴轴承选型及分析J.新技术新工艺,2016(4):49-53.18张天一.风电齿轮箱轴承疲劳寿命研究D.吉林:吉林大学,2012.19朱才朝凋少华,张亚宾,等.滑动轴承在风电齿轮箱中的应用现状与发展趋势J.风能,2021(9):38-42.1ogonzAlez-carratorDLh,mArquezGFp,Alexander,etal.Inmethodsandtoolsfort

47、heoperationalreliabilityoptimisationoflarge-scaleindustrialwindturbinesC/ProceedingsoftheNinthInternationalConferenceonManagementScienceandEngineeringManagement,2015,362:1175-1188.11STEINR,SH1Y.ExpertinterviewsonwindturbinebearingsROL.(2019-03-25)2022-09-17.112ERRICHELLOR,SHENGSW,KELLERJ,etal.Windtrubinetribologyseminar:arecapR.EEREWindandWaterTechnologiesOffice,2012.U引付悍巍,崔一南,张弛,等.轴承钢滚动接触疲劳研究进展Jl中国冶金,2020,30(9):11-23.14刘怀举,张博宇,朱才朝,等.齿轮接触疲劳理论研究进展J.机械工程学报,2022,58(3):95-120.15史记.浅谈双馈风电机组发电机轴承维护UJ.中国新技术新产,2018(6):76-77.116TAZ1N,CHATELETE,BO