深度好文：全面了解风电主轴轴承
在风电机组20年寿命周期内，主轴承的故障率可高达30%，但相关研究远少于齿轮箱和发电机。主轴轴承支撑叶轮，传递扭矩，承受非扭矩载荷（轴向/径向力、弯矩）。其运行条件和负载与传统发电厂及其他风力发电机传动系统中的轴承（如变速箱和发电机中的轴承）有显著差异。
主轴轴承一旦损坏，通常需要将其完整拆除才能更换。风力发电机主轴轴承涉及风场动力学、风力机运行与控制、旋转机械的力学与负载，以及摩擦学失效机制等多个学科领域，涵盖了设计、运行、建模、损伤机制和故障检测等多个方面。
轴承类型
由气动、重力和惯性负载引起的轮毂负载会直接传递到主轴轴承。风场结构对主轴轴承的负载有重要影响。风场通常具有湍流特性，包含不同频率和幅度的结构。风切变、塔影和偏航误差等物理相互作用也会对风场产生影响，进而影响主轴轴承的负载。
主轴轴承的配置取决于多种因素，尤其是是否使用齿轮箱。
有齿轮的风力发电机常见的配置包括三点悬挂（单主轴承）和四点悬挂（双主轴承）。
直驱风力发电机则更关注保持最小气隙，通常采用单、双或三轴承配置。
滚动体类型，如球面滚子轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承和环形滚子轴承，以及它们的特性和典型配置。
球面滚子轴承（SRBs）外圈为球面一部分，滚子与内外圈滚道紧密贴合，具有自对齐能力，能承受高径向负载；圆锥滚子轴承（TRBs）可承受轴向和径向联合负载，双排配置可增加径向负载能力，也能承受弯矩；
圆柱滚子轴承（CRBs）具有低摩擦操作和高径向负载能力，但无法承受轴向负载，但在轴承座中增加推力法兰可承受小轴向负载；
环形滚子轴承（TorRBs）与SRBs类似，但外圈为环形，滚子较长，具有更高的径向负载能力，同时保留一定的自对齐性能，只能承受小轴向负载。
建模方法
许多滚动轴承模型基于赫兹经典理论，描述了两个弹性体在点或线接触下的局部应力和变形。该理论提供了接触力与径向变形之间的关系，对于点接触和线接触有不同的指数。为了提高计算效率，提出了将轴承分割成多个切片，每个切片假设为完美线接触，然后对每个切片的力进行求和或积分以得到整个滚子的接触力。
多体模型是轴承建模中最常用的方法，将轴承系统视为相互作用的多个体，可以是准静态或动态的。这些模型使用牛顿-拉弗森等方程迭代求解轴承内部负载和变形，使外部和轴承力达到平衡。
有限元方法（FEM）用于模拟轴承内的变形压力，通过选择函数表示每个节点的位移，计算单元刚度矩阵，然后组装整个轴承的矩阵并应用边界条件，以获得节点位移的解。尽管FEM需要大量的节点和计算资源，但已被用于模拟滚子-滚道接触，并与赫兹理论结果进行验证。
损伤机制
摩擦学理论和损伤机制
在损伤和磨损机制方面，经典疲劳、微点蚀、剥落、涂抹、磨料磨损和碎屑损伤、摩擦磨蚀等。这些损伤机制往往是自延续的，且一种损伤可能导致其他损伤的产生，如微点蚀可能导致剥落，进而导致磨料磨损。
尽管各种国际标准为风力发电机轴承设计提供了基础，考虑了倾斜、不对中、间隙和内部负载差异对滚动接触疲劳寿命的影响。然而，这些标准在风力发电机主轴轴承应用中可能存在问题，因为它们没有充分考虑风力发电机主轴轴承中的时变负载和大弯矩。
为确保风电主轴承自动润滑系统始终处于最佳润滑状态，现代机组通常采用以下“感知-决策-执行-反馈”闭环控制逻辑。将传统定时注油升级为“按需、定量、可监控”的智能润滑策略。
自动润滑系统能够始终将主轴承润滑膜厚度、油脂填充率保持在设计范围内，从而显著降低磨损、延长寿命并避免过度润滑造成的密封失效与环境污染。
传统的振动分析技术在高速和中等负载情况下效果良好，但由于风力发电机主轴轴承低速高负载的特性，这些技术在低速情况下可靠性不足。现有的主轴轴承故障诊断和预测技术，包括振动信号分析、声发射、主轴速度测量和SCADA数据的人工神经网络方法。
此外，还可以基于风力机SCADA数据预测主轴轴承的故障，使用人工神经网络确定主轴轴承温度的正常行为模型，并通过与实际测量值的偏差发出故障警告。
[1] Daneshi-Far Z , Capolino G A , Henao H .Review of failures and condition monitoring in wind turbine generators[J].IEEE, 2010.
请先 登录后发表评论 ~