SKF大型混合陶瓷深沟球轴承_风力发电机的可靠解决方案

1、DC-AC电机技术论坛应用EMCA2008,35(12)SKF大型混合陶瓷深沟球轴承风力发电机的可靠解决方案GerwinPreisinger(SKFOsterreichAG,IndustrialElectricalSegment,SeitenstettnerStr.15,4401Steyr,A)摘要:早期的风力发电机轴承失效频繁发生,原因多种多样,在研究应用条件和调查轴承失效的基础上,基本确认了造成轴承失效的根本原因:双馈感应发电机变频驱动所导致的轴承过电流和相应的电腐蚀及润滑、磨损等。对风力发电机轴承早期失效的根本原因进行论述,同时介绍了SKF最新大型混合陶瓷深沟球轴承在减小轴承失效、增加运

2、行可靠性方面的优势及其在风力发电机应用中的解决方案。关键词:风力发电;轴承;解决方案中图分类号:TM315文献标识码:A文章编号:167326540(2008)1220054204SKFX2LargeHybridDeepGrooveBallBearingsAReliableSolutionforWindTurbineGeneratorsGerwinPreisinger(SKFOsterreichAG,IndustrialElectricalSegment,SeitenstettnerStr.15,4401Steyr,A)Abstract:Prematurebearingfailuresofwi

3、ndturbinegeneratorsareoccurringfrequently.Thereasonsaremani2fold,butbasedonapplicationstudiesandbearinginvestigationstwomainrootcauseshavebeenidentified:electricalcurrentpassage,electricalerosionrespectively,duetofrequencyconvertersupplyofdoubly-fedinductiongeneratorsandlubricationandwearrelatedprob

4、lems.Strivestogiveanoverviewontypicalrootcausesforprematurebearingfail2uresinwindturbinegeneratorapplicationsandintroducesextra-large(XL)hybriddeepgrooveballbearingsasanewSKFsolutiontosignificantlyreducegeneratorbearingfailuresandtoincreasetheoverallreliabilityandoperatingavailabilityofwindturbines.

5、Keywords:windturbinegenerators;bearings;solution0引言电力电子技术在变速控制中的应用越来越多,这种技术替代了很多传统的调速方式,如机械齿轮箱驱动、液压驱动等。变频器的应用使电机可以在零到额定转速之间自由调速,并能使其一直运行于合适的工作点,因此提高了电机的效率和动态响应能力,同时降低了能源消耗。相同的技术同样也应用于风力发电机中。在过去的5、6年里,大型风力发设备中的“双馈发电机”成为了典型应用,并且越来越流行,这种技术可以使风力发电机在相对宽广的速度范围内运行。双馈发电机中转子绕组由变频器供电,电机可以在变转子转速的情况下优化发电能量并保持稳定

6、的线频率,同时对有功功率和无功功率进行调节。但是,54由于变频器系统的引入,过电流引起的轴承失效问题频繁出现,并成为发电机早期故障的主要原因。同时,确认了轴承失效的另一个主要的原因是润滑和相应的磨损。本文阐述了在风力发电机应用中轴承早期失效的根本原因,同时介绍了超大型混合陶瓷球轴承技术,这项SKF提出的技术可以显著减少发电机中的轴承失效,并增加设备的总体可靠性和运行稳定性。1风力发电机中的轴承失效在各种各样机械设备的零件中,轴承是最重要的部分,电机中的轴承失效还可能由很多其他原因造成,如:超过预期负荷、润滑不当、运输和停机时的不当处置、电腐蚀、安装拆卸造成损坏、轴DC-AC电机技术论坛承内部的

7、污染、密封失效、轴和轴承室公差配合不电机中常用2008,35(12)应用EMCA),它的功能需要有某些拓展,诸如:当等。每个因素都会造成不同的损害,同时,会在轴承里留下他们自己特有的痕迹。通过对应用实例和轴承的研究发现,风力发电机中的轴承失效都直接或者间接的与过电流、润滑和磨损有关。1.1电腐蚀在变频器供电的双馈发电机中,电流流过轴承的问题十分常见,这种现象就是所谓的电腐蚀。轴承电腐蚀通常发生在电流经由滚动体从一个滚道流到另一个滚道的时候。电蚀对轴承的破坏程度取决于放电能量和持续时间,但破坏效果基本相似,包括:滚动体和滚道上的微小电蚀凹坑、润滑迅速退化、失效第二阶段的搓板纹及相应的轴承失效等。

8、放电时产生的热量会使轴承材料表面融溶,产生凹坑,同时金属的融屑会发生转移,脱离原来的位置。电蚀凹坑表面的金属会被再硬化,变得比之前的轴承材料更脆。再硬化层下面是一层退火层,这部分的材料比周围软。受损伤的轴承表面看起来发暗,其特征是有很多融溶的小坑。这些微小的凹坑遍布于滚动体表面和滚道之上,凹坑的尺寸很小,不论在内圈、外圈或者滚动体上,它的直径通常有只有58m。因此也只有在非常高倍的显微镜下才可以看到这些凹坑的形状。此外,电流放电同样导致轴承内部润滑的变性,并且迅速退化。高温使润滑机中的添加剂和基油发生反应,导致基油燃烧和碳化,添加剂将会被快速用尽。因此润滑机就会变得更硬甚至变黑(图1),不能满

9、足润滑的要求。润滑机的迅速失效也是过电流导致失效的一个典型模式。图1球轴承保持架的片段(过电流导致由润滑至变黑)1.2润滑滚动轴承稳定运行达到运行寿命的一个重要条件就是有足够的润滑。润滑剂的作用就是形成保护性油膜,分隔滚动接触表面,防止金属与金属的直接接触。润滑剂还应有保护相应部件不受腐蚀的作用。当使用润滑脂作为润滑剂时(风力发保护轴承不受固体颗粒、灰尘和水的污染等。油脂有一些重要的性能,包括:黏度、油膜形成能力和密度等。对油膜厚度最重要的影响因素就是轴承的大小、转速、温度,负荷及基油黏度。要获得润滑脂的某些特殊性能往往需要一些添加剂,如:防锈添加剂可以防止金属生锈及润滑脂的氧化。风力发电机被

10、安装在世界各地,经受不同的气候环境,也要适应不同的环境变化。例如,环境温度就与风力发电机安装的地域、纬度、季节相关。同样,安装在北海和靠近沙漠的风场湿度会有很大的不同。风力发电机中的润滑剂要适应这些变化。有时在特定的工作环境(例如温度)下的参数非常难以准确预知,导致了由于润滑脂选型不当造成的润滑表现不良。不足量的润滑会导致金属表面疲劳和磨损,从而减小轴承的寿命。,金属表面就不会被充分隔离,就会发生金属和金属的直接接触。这样的情况可能是由污染、润滑不足等情况造成的。对轴承定期进行补充润滑,对于保证它的良好运行和达到预计寿命非常重要。通常装机的风力发电机中,发电机的再润滑都是通过人工在例行维护中进

11、行的。这样的过程中,工人每6个月就要爬到塔顶进行一次工作,有时在例行维护中,发电机的再润滑会被忘记;还有时这样的时间间隔相对于发电机轴承的实际工作状况来说又太长了。1.3磨损通常情况下,轴承内部的磨损很少。当外界颗粒污染进入轴承或润滑不足时,便会导致磨损的发生。停机时,轴承的震动也可能导致磨损。风力发电机的应用经常不仅要适应运行时的恶劣环境,同时还要适应维护时停机的工况。由于型号的原因,发电机中的轴承通常是开式的深沟球轴承。由外界的迷宫式密封保护轴承,即便如此,仍然存在着污染物进入轴承室的风险。污染的最普遍来源包括:润滑不足(比如,干燥的优质颗粒)产生的污染,损坏的密封件,环境污染颗粒以及由于

12、安装和更换轴承室操作不当引起的污染等。这些污染颗粒经过滚动体的滚压就会在轴55DC-AC电机技术论坛承的滚道上导致疲劳形成散裂图。一种陶瓷材料它拥有很多有益的特性高硬度、应用EMCA2008,35(12)(2),:在运输过程中,如果发电机的转子轴固定不良,震动发生在轴承的游隙之中,这些都有可能损坏轴承;同样,如果发电机处于停机状态,经过一图2滚道表面由于由于滚过污染颗粒造成的痕迹段时间的震动也会导致轴承损伤。对于以前设计的风力发电机在停机时仍然没有停止旋转,这样的故障十分普遍。因此,在更新的设计中,浆叶在停机时依然缓慢地旋转。但在发电机静止时,轴承内部相互接触的部件之间没有润滑剂来形成油膜,进

13、而产生滚动体和滚道之间的金属直接接触。如果再引入外界的震动,这个震动就会使滚动体相对滚道发生非常微小的位移,在这样的位移情况下金属之间微小的冷焊点和磨损会使滚道产生损坏,出现微动腐蚀。这样的损坏通常发生于滚子等间距的地方,呈现颜色的变化或者光泽的变化。这种损坏就是所谓的“伪布氏压痕”(图3)。图3停机震动产生的圆柱滚子轴承上的伪布氏压痕2混合陶瓷轴承混合陶瓷轴承(图4)由轴承钢质的轴承圈和轴承级氮化硅材料的滚动体组成。氮化硅材料是56电绝缘、低密度和稳定性;同时还有很出色的电气绝缘特性。混合陶瓷轴承有更高的速度能力,与普通的全钢质轴承相比在大多数工况下有更长的使用寿命。图4轴承刚材质套圈以及轴

14、承级氮化硅(陶瓷)材质滚动体构成的混合陶瓷轴承氮化硅材质的一个非常重要的特性就是它有非常良好的电绝缘性能。这种性能使轴承免于受到过电流的损伤,同时在变频器供电的变速驱动电机中增长了轴承的使用寿命。氮化硅材料的密度是钢材质的40%,使得轴承的滚动体质量变得更轻,也拥有更小的惯性,这意味着在快速起停时减小了保持架的受力,与全钢质轴承相比在高速运行时减小了轴承摩擦。更低的摩擦就意味着运行温度更低,更长的再润滑时间间隔及润滑剂寿命。因此,混合陶瓷轴承在高速下具有更加优越的性能。SKF混合陶瓷轴承对润滑不足不是非常敏感,这使它在更加严酷的动态环境下或者在低运行黏度润滑条件下,比全钢质轴承有更长的运行寿命

15、。与钢相比氮化硅材料具有更高的硬度和更大的弹性模量,这增加了轴承的坚固性,延长了混合陶瓷轴承在污染环境下的运行寿命。在润滑不良和恶劣环境下运行时,混合陶瓷轴承就耐磨性能上的表现远远超过全钢质轴承。另一方面,相同尺寸的氮化硅材料的球比钢材质的球具有更小的热膨胀量,这减小了轴承内部由于热分布而带来的敏感性,同时使预负荷的控制更加精确。为了确保最优的质量,SKF用一套复杂的轴承滚动体用氮化硅材料技术要求来控制质量。这一技术要求包括材料强度、材质宏观微观组织结构、硬度、DC-AC电机技术论坛刚性、滚动接触的疲劳表现以及滚动体成品表面高频电流同时其具有在严酷运行条件下卓越的2008,35(12)应用EM

16、CA,的外观等。混合陶瓷轴承的各个部件都是按照滚动体氮化硅材质的高要求进行选择的。上述混合陶瓷材料的特性可以解决风力发电机中如第一部分所述的问题。SKF的超大型混合陶瓷深沟球轴承是一个可以极大地减小风力发电机中轴承提早失效的解决方案。摩擦学性能。SKF已经开发出一个超大型混合陶瓷深沟球轴承的系列产品(见表1),这个系列产品针对风力发电机的应用优化产品性能,涵盖了主流风场中的主要型号范围。在传统的设计中两个相同型号的深沟球轴承被安置在风力发电机的驱动段和非驱动端。为了避免过电流和解决电蚀问题,在双馈发电机的轴承中建议用超大型混合陶瓷深沟球轴承替代全钢质深沟球轴承。这样可以解决由于润滑不良及污染带

17、来的磨损,同时提高了运行可靠性。3超大型混合陶瓷深沟球轴承从技术角度来说,混合陶瓷轴承是风力发电机应用中最可靠的解决方案。因为其不仅具有非常良好的电绝缘材料,可以彻底杜绝流过轴承的表1超大型混合陶瓷深沟球轴承数据dDB动态基本静态基本额定转速-1最小转速)/(rmin43004000380036003200280028002800-1质量)/kg9.5012.816.016.623.025.331.437.8/mm110120130140150160170180/mm240260280300320340360380/mm5055586265687275负荷率/kw负荷率/kw/(rmin187

18、.5200.3212.2265.9288.7330.9330.9330.9174.8198.7222.8265.9306.5391.1391.1391.180007500670063006000530053005300型号6322/HC5C3S0VA9706324/HC5C3S0VA9706326/HC5C3S0VA9706328/HC5C3S0VA9706330/HC5C3S0VA9706332/HC5C3S0VA9706334/HC5C3S0VA9706336/HC5C3S0VA970注:补充后缀:HC52陶瓷滚动体;C3,C3P2径向游隙;S02热处理稳定性;VA9702风力发电机应用专门设计对现有深沟球轴承用SKF超大型混合陶瓷深沟球轴承替换十分简便。这种轴承依