风电齿轮箱高速轴轴承振动的应用分析

高远俊，戴虎，李兴林

(1.杭州前进齿轮箱集团股份有限公司，杭州 311203；2.杭州轴承试验研究中心有限公司，杭州 310022)

风电齿轮箱是风力发电机组的重要机械传动部件，其将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，从而得到相应的转速进行发电。由于齿轮箱安装在80～100 m的高空，使用环境恶劣，维护困难，因此对齿轮箱的可靠性要求非常高。为了保证齿轮箱的可靠性，根据设计规范，要求齿轮箱在设计时振动不大于3.5 mm/s。目前，风电齿轮箱的高速轴越来越多采用圆锥滚子轴承，但该轴承振动经常导致齿轮箱振动超标，影响齿轮箱的运行寿命和可靠性。

1 轴承布置型式

风电齿轮箱高速轴轴承通常采用1套圆柱滚子轴承和2套面对面配对的圆锥滚子轴承(32034-X)支承，如图1所示。

图1 风电齿轮箱高速轴轴承布置

2 轴承的振动测试

32034-X安装后的轴向游隙调整为0.20～0.25 mm(20 ℃温差下计算所得运行游隙0～0.05 mm)。在样机试车中进行了振动测试，各个轴承及齿轮等部件上均安装振动加速度传感器，其中高速轴轴承座处的安装位置如图2所示。

图2 振动传感器位置

第1次测试发现高速轴轴承振动异常，其他各处性能指标符合要求，为了比较高速轴轴承振动对齿轮箱性能的影响，分别在齿轮箱1和齿轮箱2上安装2个品牌的轴承，齿轮箱其他配置相同，并通过试验进行振动测试，结果见表1。由表可知，齿轮箱2在1 400，1 700，2 000 kW负载下的轴向振动值超出3.5 mm/s，不符合设计要求，而齿轮箱1基本能满足设计要求。因此，通过对比试验，可以初步判断齿轮箱2的高速轴轴承引起了齿轮箱的振动测试数据偏高，需要对齿轮箱2的高速轴轴承进行分析，查找原因。

表1 振动测试结果

3 振动分析

3.1 外观检查

针对振动超标，轴承服务工程师在现场对轴承的内圈、外圈、保持架、滚子等零件进行了目测，没有发现轴承有异常磨损等情况，如图3所示。

图3 试验轴承

3.2 轴承固有故障频率

为进一步分析轴承振动异常的原因，先计算高速轴转速1 802 r/min时轴承各零件的固有频率，结果见表2。

表2 轴承各零件的故障特征频率

3.3 振动分析

根据表1振动测试结果及圆锥滚子轴承振动特性，主要对轴向振动数据进行分析，轴承轴向振动频谱分析如图4所示。

图4 轴承轴向振动频谱分析

从图4可以看出，在低于3 000 Hz的低频区间，2个齿轮箱的振动幅值基本相同；在大于3 000 Hz的高频区间，齿轮箱2轴承的振动幅值大于齿轮箱1，且振动幅值高点超标。针对3 000 Hz以上区段与表2进行综合分析发现，滚子故障特征频率的22倍、44倍谐波频率分别为3 234和6 468 Hz。如果滚子的22～44波圆度比较差，产生的振动频率应该为3 234～6 468 Hz，与3 200～6 500 Hz的区间非常吻合。因此，根据实际应用经验，初步判断轴承振动很有可能是受到滚子第22～44波波纹度的影响。

对轴承进行拆解并进行检测，发现滚子的波纹度出现异常，其中第11#滚子的第28波波纹度为0.265 μm(图5a)，第12#滚子的第44波波纹度为0.307 μm(图5b)，均大于风电齿轮箱所要求的滚子波纹度(0.16 μm)。当轴承高速旋转时，滚子引起振动，导致齿轮箱运行时高速轴轴承振动检测值偏高，与之前频谱分析的结果比较吻合。

图5 滚子的波纹度

4 结束语

通过对2套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。