轴承故障现象

如上图所示，发电机外盖打开后发现油脂严重发黑；进一步拆解发现转轴与轴承配合面磨损严重，呈蜂窝状凹坑；测量可得转轴与轴承配合面的尺寸为158.000mm，轴承内圈配合面光亮但有明显的蠕动痕迹，轴承内径测量值为160.3mm。初步判断是微动磨损导致转轴与轴承内圈配合面的尺寸发生了变化，转轴与轴承内圈发生相对转动（跑内圈），致使轴承高温报警。同时，微动磨损也可能加速裂纹的萌生、扩展，使结构件的疲劳寿命大大降低，需对该故障现象进行深入分析。

损伤原因分析

原配合过盈量校核

风力发电机运行时经常处于变速状态，轴与轴承内圈之间的摩擦力拖动内圈与轴同步旋转、变速；同时，内圈在引导滚动体转动时受到来自滚动体的阻力转矩。只有确保过盈配合产生的摩擦力大于所需的传递力，才能确保轴承内圈与轴之间不出现相对微动甚至滑动。

轴承总摩擦力矩为：计算可得轴承总摩擦力矩为3.555N∙m。

需要传递的载荷为：计算可得需要传递的载荷为6132.2N。

传递载荷需要的最小结合压力为：传递载荷需要的最小结合压力为1.3MPa。

转轴与轴承内圈最小过盈量产生的最小结合压力为：经计算为3.57MPa。

转轴与轴承内圈最小过盈量产生的最小传递力为：计算可得为1541429N。由以上计算结果可得需要传递载荷小于转轴与轴承内圈最小过盈量产生的最小传递力、传递载荷需要的最小结合压力小于转轴与轴承内圈最小过盈量产生的最小结合压力，即正常运转情况下，转轴与轴承内圈间的最小过盈量可满足要求。

轴承内圈与转轴间温差导致过盈量减小

当转轴与轴承内圈间的过盈量减小至0.085mm时，产生的结合压力为1.296MPa，此时相比原过盈量减小了0.065mm，转轴与轴承内圈接触副间的摩擦力无法传递内圈引导滚动体转动时来自滚动体的阻力转矩，会发生微动甚至滑动。

配合面的温差会导致过盈量减小，计算可得为3.7K，因此外部热源导致转轴与轴承内圈间的温差超过3.7K时，原始过盈量（0.015mm）不能保证所需的最小结合压力。

轴承工作游隙

该电机轴承型号为6332M/C3，原始径向游隙范围为46~91μm，转轴尺寸为160mm（+0.015 ~ +0.033mm），极限公差配合下轴承工作游隙范围为-28~52μm，工作游隙偏小会导致轴承磨损、发热，轴承内圈较转轴膨胀量增加，过盈量减小。

该风电机组现场测试的振动情况如下图所示：在该机组工作转速区间（1000~1750r/min），垂直、水平方向的最高速度有效值分别为9.94，8.96mm/s，机组振动偏大；从垂直方向的伯德图可以看出转速1285r/min时振动幅值最高，且在远离峰值点处存在170°的相位差，存在共振现象，共振峰值为13.8mm/s。过大的振动会使轴承传递载荷过大，原过盈量产生的结合压力不能满足需求，导致配合面发生微动甚至滑动。

同时，振动产生的能量与振动速度平方成正比，能量传递会造成机械磨损、部件松动、材质疲劳等。相比静力学超载破坏，振动可在相当短的时间内产生疲劳并使其迅速扩大，应引起高度重视。

金属材料的抗黏着磨损能力强，抗微动磨损的能力也较强。材料的硬度及其接触面的环境气氛影响磨损速率。

轴承钢的材质一般为GCr15，硬度为61~65HRC，几乎是转轴硬度（240~260HBW)的3倍，因此转轴的磨损严重，尺寸减小了2mm，轴承内圈尺寸则增加了0.3mm。

综上所述，从磨损机理及实际工况分析，转轴与轴承内圈发生微动磨损故障的原因为：轴承原始游隙过小，轴承过盈量偏小，机组振动偏大以及摩擦副材料抗微动磨损的能力较弱。

预防措施及效果

将轴承由6332M/C3更换为6332M/C4，即轴承原始游隙由46~91μm变为81~130μm，进而增大轴承工作游隙，减少轴承摩损发热。

通常，在振动较大的场合下，采用紧一级的配合。将转轴与轴承配合面尺寸由160mm（+0.015 ~ +0.033mm）更改为160mm（+0.027 ~ +0.045mm），通过增加转轴与内圈间的过盈量抑制内圈的微动状态。

公差配合m5时的最小过盈量为0.015mm，公差配合n5时的最小过盈量为0.027mm，过盈量增加了80%。

出厂试验时控制发电机在弹性平台上全转速范围内的振动，将振动速度有效值降至较低水平，以达到减小轴承传递载荷的目的。GB/T 10068—2020《轴中心高为56mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值》规定：出厂时，在额定转速范围内，电动机在刚性平台、弹性平台上的振动速度有效值应分别小于2.3，2.8mm/s。由上图可知，故障发电机的振动值满足此要求，1000~1750r/min时的振动速度有效值均小于2mm/s。

然而，在1000~1750r/min的转速区间内，发电机在弹性支承上不可避免地会出现共振点，共振点处的幅值为9.94mm/s，依据GB/T 35854—2018《风力发电机组及其组件机械振动测量与评估》的规定，区域B是风电机组及其组件可长期连续运行的区域，区域C不适合长期连续运行，应尽快调查振动源；区域D是危险区域，在该区间运行可能导致风电机组及其组件损坏。由上图可知发电机的振动水平已经接近危险区域。因此，结合GB/T 10068—2020和GB/T 35854—2018的规定，考虑到塔上对中以及安装平台的影响，在发电机出厂时的弹性平台空载振动试验中，应将全工作转速区间内的振动速度有效值控制在3.5mm/s内，方能保证发电机在塔上的平稳运行。

转轴的硬度远小于轴承，而从加工和经济性方面考虑，难以将转轴的硬度提高至轴承的硬度。因此，轴承装配前在转轴与轴承配合面处涂抹防蠕动膏（如下图），用作轴承装配过程中的润滑剂，避免安装时接触表面组织划伤；另外，接触面间的涂层还可以抵抗环境介质和各种腐蚀气氛，防止结合面发生微动腐蚀。

采取上述措施对发电机轴承进行处理后装机使用，在风场随机抽查1台运行2年以上的发电机进行振动测试，如下图所示：轴承运行状况良好，无松动跑圈故障；拆解后转轴处的油脂颜色正常，轴承内圈与转轴配合面无蠕动痕迹以及磨损现象，确保了风力发电机的可靠运行。