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风力发电机变桨轴承微动磨损与防护.pdf

风力发电机变桨轴承微动磨损与防护

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2011-08-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《风力发电机变桨轴承微动磨损与防护pdf》,可适用于工程科技领域

年月第卷第期润滑与密封LUBRICATIONENGINEERINGDec�Vol�No�DOI:�j�issn����收稿日期:作者简介:王思明(�),男,博士生,主要研究方向为机电液一体化及CAD�E�mai:lwsm�com�风力发电机变桨轴承微动磨损与防护王思明�史小辉�许明恒(西南交通大学机械工程学院�四川成都)摘要:分析了变桨轴承振动载荷及失效形式,指出在交变和振动载荷的作用下,风力发电机组变桨轴承的主要其失效形式是滚动体和滚道之间发生的微动磨损损伤。通过微动试验,分析了变桨轴承中微动磨损的磨损运行机制以及润滑脂的润滑效果与微动次数、位移的关系。为减小变桨轴承微动磨损,从润滑和机械方面提出了微动磨损防护的具体措施。结果表明:微动磨损程度随载荷减小、接触角度增加和材料硬度增高而减小通过采用含渗透能力强、抗磨添加剂及抗锈蚀剂的合成润滑脂,减小桨叶振动、改进变桨轴承结构、增加套圈接触面表面强度等措施,可减缓变桨轴承的微动磨损。关键词:风力发电机变桨轴承微动磨损振动载荷中图分类号:TH��文献标识码:A�文章编号:()AnalysisofFrettingWearandFrettingProtectionforWindTurbinePitchBearingWangSmiing�ShiXiaoHui�XuMingheng(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan,China)Abstract:ThevibrationloadsandthefailuremodesofpitchbearingwereanalyzedItwaspointedoutthatintheactionofalternatingloadsandvibrationloadsonwindturbinepitchbearings,itsmainfailuremodewasthedamageduetothefrettingwearthatoccursbetweenrollingelementandraceThemechanismoffrettingwearwasanalyzedthroughthefrettingtests,whichalsocanexplaintherelationshipbetweenlubricationeffectsandthenumberoffrettingmovement,andthedis�placementoffrettingmovementInordertoreducefrettingwearinthepitchbearings,thespecificprotectivemeasuresagainstfrettingwearwereproposedinlubricationandmachineryTheresultsshowthattheeffectsoffrettingwearweakenasloaddecreases,contactangleincreasesandhardnessofmaterialincreasesthefrettingwearinthepitchbearingcanbereducedbytheuseofsyntheticgreasethathashighpenetrationcapabilityandcontainsanti�wearadditivesandanti�corro�sionagent,reducingthevibrationofblades,miprovingthestructureofpitchbearingandincreasingtheintensityofthesur�faceofring,etcKeywords:windturbinepitchbearingsfrettingwearvibrationload�近些年来我国风电行业发展比较迅速,但与国际风电行业的发展水平还有很大差距。滚动轴承是风力发电机中最关键、最重要的运动部件之一,风力发电机能否安全运行年,主要依赖于滚动轴承的可靠度和寿命。目前风电配套轴承主要依赖进口,严重制约了我国风电事业的发展。风力发电机用轴承大致可以分为类,即:偏航轴承、变桨轴承、传动系统轴承。变桨轴承主要用于兆瓦级以上的变桨距风力发电机组,桨叶安装在轮毂上,由变桨轴承及相应的控制装置,根据风速调整桨叶的迎风角度,获取最佳迎风角。由于风电轴承特别是变桨轴承的受力情况复杂,而且轴承承受的冲击和振动比较大,又处于环境比较恶劣的地方,变桨轴承低速运转或摆动、冲击载荷、冷凝水及盐分侵蚀等工况特点,决定了其主要失效方式是微动引起的失效和锈蚀。所以有必要对变桨轴承的微动损伤行为进行分析,提高我国风电轴承的研发水平。�变桨轴承振动载荷及失效形式在风力发电机组中,变桨轴承工况条件最恶劣,受力最为复杂,要求最高。变桨轴承安装在桨叶轮毂上,采用的结构形式多为内圈带齿或无齿双列四点接触球轴承。变桨轴承的运动为摆动,主要承受径向力、轴向力和倾覆力矩,并且受力的大小和方向随桨叶位置、迎风角度、风力等级等呈周期变化。��变桨轴承受桨叶振动的形式安装在风力发电机变桨轴承上的桨叶是弹性结构,因而无论是在工作中还是在停止状态,作用在桨叶上的交变性、随机性载荷和空气的流动会使之发生振颤。桨叶的振动将会使变桨轴承受到振动和冲击载荷。风力发电机桨叶的振动主要有种形式:()挥舞,是桨叶在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动()摆振,是桨叶在旋转平面内的弯曲振动()扭振,是绕桨叶变距轴的扭转振动。此外,在空气动力、惯性力和弹性力的耦合作用下,这种形式的振动还会发生耦合,引起气动弹性等问题。��变桨轴承破环形式由于桨叶的振动使变桨轴承既承受很大的振动冲击负荷,而变桨轴承又经常处于静止不动或处于低速摆动。这时轴承将发生种破环:一种就是滚珠和滚道的塑性变形,在这种情况下,就必须校验所选轴承的额定静负荷另一种就是滚动体和滚道之间由于桨叶振动而产生的微动损伤,并同时受到气温变化引起的冷凝水分、海风中盐分和润滑剂酸化等介质的侵袭,将形成微小压痕并很快发展成为点蚀,从而导致变桨轴承的微动磨损失效和锈蚀失效往往先于疲劳剥落发生,变桨轴承将很快地损坏,并导致轴承卡死,,这成为制约变桨轴承运行可靠度和工作寿命的首要因素。�变桨轴承微动磨损分析风力发电机在微风静止以及低于额定风速运转时,变桨轴承都处于不工作状态。变桨轴承在外部振动冲击载荷作用下,滚动体和内外圈接触处的润滑油不能对滚动体的转动进行补充时,变桨轴承的滚动体和内外套圈就容易受到微动磨损。微动磨损(FrettingWear)即接触表面的相对位移由外界振动引起的微动,一般其位移幅度为微米量级。微动磨损对局部的反复作用,可以造成接触表面摩擦磨损,并能萌生疲劳裂纹,降低局部疲劳强度,使构件的疲劳寿命大大降低。这一点要比一般的滑动磨损严重得多。��变桨轴承微动形式及试验设计桨叶的振动引起变桨轴承的振动冲击,所以要求变桨轴承的游隙应为零游隙或者稍微的负游隙值。在这些振动载荷的作用下,轴承内外套圈将会发生相对转动和相对倾斜的趋势。在不发生宏观相对运动的情况下,滚珠和套圈之间将存在径向和切向合成的复合微动。由于变桨轴承的体积较大,模拟现场载荷实现整体微动试验还比较困难,所以用径向与切向复合微动的运行和损伤机制来研究变桨轴承的损伤情况。具体试验用球平面接触来实现复合微动,研究变桨轴承实际工作状态的损伤特性。试验装置如图(a)所示,平板材料用轴承套圈材料CrMo,粗糙度为Ra��m。钢球材料为GCr,直径为mm,粗糙度为Ra��m。施加静载荷F=kN,动载荷为kN,载荷频率为Hz,循环次数为万次。采用变桨轴承专用润滑脂,以不同硬度的平面试样,并与滚珠以不同的角度接触(如图(b)所示)进行试验,模拟风力发电机不工作时变桨轴承的微动损伤,观察不同循环次数下试样的磨痕形貌,并结合文献的试验结果对风电轴承微动磨损进行定性分析。�滚珠��平面试样��滚珠试样夹具��液压系统活塞��平面试样夹具��载荷传感器图�变桨轴承微动磨损模拟试验装置Fig�Frettingsmiulationtestrigforpitchbearing��变桨轴承微动磨损过程分析根据DouglasGodfrey的观点,微动初期,接触表面存在润滑脂边界润滑时,发生伪布氏压痕,磨损机制是轻微的限制在自然氧化层的轻微黏着,磨屑是铁氧化物FeO。微动腐蚀发生在无润滑状态,磨损机制是严重的黏着,穿过自然氧化层和母体材料形成冷焊,磨屑是��FeO。微动磨损开始于伪压痕,当磨屑挡住润滑油使摩擦表面形成无润滑状态,并逐步升级到微动腐蚀。这个观点可以解释微动磨屑中含有��FeO和低百分比的FeO。如果微动幅度大时,将润滑剂带进接触区形成边界润滑时,可以减轻微动磨损,这时候又将发生伪布氏压痕。在微动接触处由于微动的自清洗形成干摩擦状态后,接触中心处于黏着状态,微滑发生在接触区边缘,磨损以片状剥层颗粒进行,磨屑呈红褐色氧化物。到最终的接触表面以弹性协调状态,磨损速率下降,磨损以较细的剥落颗粒存在,导致接触处形成疲劳裂纹。最终导致严重的微动磨损,出现压痕。从试验的结果来看,载荷水平、材料的硬度与接触倾斜角度对轴承的微动磨损有明显的影响。载荷水平越低,接触倾斜角度越大以及材料的硬度越高,可以大大减少磨损量,从而提高轴承抗复合微动损伤的能力。磨损主要发生在微动初期,随着磨屑的形成,年第期王思明等:风力发电机变桨轴承微动磨损与防护第三体隔离层隔离了两接触体,起到固体润滑作用,减缓了磨损。通过试验可知,在风电变桨轴承微动磨损中,和普通微动磨损一样存在种破坏机制:表面磨损和裂纹萌生、扩展。磨损本质上是由接触表面运动产生,其磨损程度与滑移距离密切相关,裂纹是由接触交变应力作用引起疲劳裂纹。同样经试验可知,变桨轴承微动磨损中,裂纹的早期发展阶段主要受微动接触表面的局部疲劳控制,可使变桨轴承使用寿命大大降低。但是裂纹扩展超过一定深度后,局部接触疲劳效应基本消失,整体疲劳起主要作用,可以用普通疲劳理论及计算方法计算轴承的疲劳寿命。�变桨轴承中润滑脂的作用变桨轴承中润滑脂对微动磨损影响同样可由试验得到。润滑脂微动磨损过程中,自我清洗与自我修复在微动过程中将产生竞争,这种竞争与微动参数和润滑脂的特性密切相关,并且将对摩擦因数的变化、磨损体积、微动区域特性等产生较大的影响,。��润滑效果与微动次数的关系变桨轴承中,由于润滑脂为半固体,流动性差,并由于轴承套圈和滚珠有一定的密合度,润滑脂很难进入接触表面并易在微动的自我清洗作用下被很快清出接触区域。所以在脂润滑下的微动磨损过程中,初始阶段摩擦因数较低,润滑效果好,但随着循环次数的增加润滑效果变差,其微动区域与干摩擦时一致。由此可知,由于润滑脂的存在滚珠和套圈表面直接接触的时间变长,与干摩擦微动相比可减少接触表面磨痕面积。��润滑效果与微动位移的关系微动试验同时还表明,变桨轴承中润滑脂的使用作为减缓接触磨损的一种方法,在小位移幅值微动时效果甚微,反而加速接触磨损,因被分离的油渗透到微裂纹,在微动挤压作用下从表面剥离,即具有挖坑!效应。只有当微动幅度达到一个临界值时,润滑脂开始起到润滑减磨的效果。�变桨轴承微动磨损的防护影响微动磨损的因素有载荷循环次数、相对滑动振幅、法向载荷、振动频率、表面粗糙度、金属氧化物、润滑剂、外界介质、材料等。而防止微动破坏的最简单的办法就是消除振动源,但是桨叶振动是无法避免的,因此变桨轴承中的微动破坏也是无法避免的,但可以采取一定的措施去减缓这种破坏。��润滑对变桨轴承微动磨损的减缓作用微动对润滑脂具有自我清洗的功能,接触区域内的润滑脂和润滑边界膜将在微动的作用下排出接触区域。不过,润滑脂在一定条件可以再渗透到接触区,形成新的边界膜,从而重新起到润滑的作用,即其具有自我修复功能。良好的润滑是解决风力发电机滚动轴承微动磨损和锈蚀失效的有效方法,可通过用渗透能力强、含抗磨添加剂以及抗锈蚀性能优良的合成润滑脂来润滑接触面。润滑油中的抗磨添加剂有助于降低磨损率,从而降低磨痕的深度。��变桨轴承微动磨损的机械防护变桨轴承微动损伤的机械防护具体方法如下:()减小振动:这可以通过改变桨叶的材料和结构实现()增加压力:可以采取减少游隙并增加变桨轴承安装预紧力来实现()改变变桨轴承结构设计:结构设计改变,同时也改变了接触面处的压力分布、几何接触模式或接触面的刚度,从而改变了微动运行模式,有利于减轻微动损伤()增加套圈接触面表面强度:通过各种表面处理,如物理、化学、机械的工艺方法使滚道表面获得特殊的成分、组织结构性能,以提高其耐磨和抗疲劳性能()不让滚动体在同一位置长时间摆动:可通过不时地旋转轴承来实现,使润滑脂在滚道内重新分布。�结束语在风力发电机组中,由桨叶振动引起变桨轴承的微动损伤比较复杂,是轴承破坏的主要形式,对其使用寿命影响很大。变桨轴承微动损伤虽然无法避免,但可以采取一定措施减缓微动引起的破坏。参考文献∀#孙立明,陈原,宋丽风力发电机组关键轴承设计技术J轴承,(特刊):SunLmiing,ChenYuan,SongLiDesignTechnologyforKeyBearingofWingGeneratorSetJBearing,(S):∀#陈龙,杜宏武,武建柯,等风力发电机用轴承简述J轴承,,():ChenLong,DuHongwu,WuJianke,etalDiscussionofWindTurbineBearingJBearing,():∀#李媛媛,叶亚飞风力发电机专用轴承J轴承,():LiYuanyuan,YeYafeiSpecialBearingforWindmillGeneratorJBearing,():∀#赵联春,季英昌,刘日宣,等风力发电机轴承润滑脂抗微动磨损性能评价及分析J轴承,(特刊):ZhaoLianchun,JiYingchang,LiuRixuan,etalEvaluationandAnalysisofAntiFrettingWearandCorrosionPerformancesofGreasesforWindTurbineRollingBearingsJBearing,(S):∀#包能胜,曹人靖,叶枝全风力机桨叶结构振动特性有限元分析J太阳能学报,,():(下转第页)润滑与密封第卷EconomyandEmissionControlanditsRequirementonLubri�cantJLubricatingOi,l,():∀#Three�waycatalystsaging,CausesoffailureanddeactivationEBOLhttp:wwwbladeyourridecomgasoline�html∀#ThomasDDurbin,ClaudiaGSauer,JohnTPisano,etalIm�pactofEngineLubricantPropertiesonRegulatedGaseousEmissionsof�Model�YearGasolineVehiclesJJournaloftheAirWasteManagementAssociation,,():∀#ChamberlinWB,KelleyJC,WilkMAThemipactofpassen�gercarmotoroilsonemissionsperformanceRSAEPaper,,∀#DarrellMorris,MartynVTwigg,NeilRCollins,etalTheeffectofphosphorusandboronlubricantoiladditivesoncatalystandenginedurabilityRSAE,Paper,,∀#CarolynPHubbard,DarrST,ChoksiRA,etalEffectsofoil�derivedcontaminantsonemissionsfromTWC�equippedVehi�clesRSAETechnicalPaperSeries,,∀#EwaBardasz,ElizabethASchifer,lWilliamMNahumck,etalLowVolatilityZDDPTechnology:Part�ExhaustCatalystsPerformanceinFieldApplicationsRSAE,,∀#Dieselaftertreatmentsensitivitytolubricantsnon�thermalcat�alystdeactivation(DASLN�TCD)EBOLhttp:www�swri�orgorgdengvehdasln�tcddefault�htm∀#ImpactofengineoilpropertiesonemissionsfinalreportRCRCProjectNoE,August∀#APICJ�QAEBOLhttp:wwwlubrizolcomCJ�pdflibrarycjssforweb�pdf∀#CaliforniaAirResourcesBoard�DieselenginelubricatingoilsEBOLhttp:www�arb�ca�govregactulsdappipdf∀#TheU�S�DepartmentofEnergy,EngineManufacturersAsso�ciation,ManufacturersofEmissionControlsAssociationPhaseIintermidatareportNo�:DieselParticulateFilters:finalre�portEBOLDieselEmissionControlSulfurEffects(DECSE)Program,http:wwwnrelgovvehiclesandfuelsapbfpdfsintermipd,fJanuary∀#EwaABardasz,SusanCowling,AvtarPanesar,etalEffectsoflubricantderivedchemistriesonperformanceofthecatalyzeddieselparticulatefiltersRSAEPaper,,∀#SmionAGWatson,VictorWWong,DarrellBrownawel,letalMinmiizinglubricant�ashrequirementandmipactonemissionaftertreatmentsystemsviaanoilconditioningfilterCDieselEngine�EfficiencyandEmissionsResearch(DEER)Conference,Detroi,tAugustth,∀#CJ�:TheCountDownContinuesLiveMeeting,July,∀#JeromeObiols,PhilippeChina,Laurentsibue,etalAnin�novativeon�linemeasurementmethodforstudyingtheim�pactoflubricantformulationsonpoisoningandcloggingofafter�treatmentdevicesRSAEPaper,,∀#SeijiTogawaImpactofoil�derivedashoncontinuousregener�ation�typedieselparticulatefilter�JCAPIIoilworkgroupreportEBOLhttp:www�pecj�or�jpjapanesedivisiondivi�sionasiasympthpdfbpdf(上接第页)��BaoNengsheng,CaoRenjing,YeZhiquanStructualVibra�tionAnalysisforWindTurbineBladesUsingFiniteElementMothodJActaEnergiaeSolarisSinica,,():∀#徐斌,王志德电动变桨轴承故障原因分析及改进措施J煤矿机械,,():XuBin,WangZhideAnalysisandImprovementMeasureRea�sonofElectricPitchSystemBearingsonWindTurbineJCoalMineMachinery,,():∀#RobertEAnotherPerspective:FalseBrinellingandFrettingCorrosionJTribologyLubricationTechnology,,():∀#WaterhouseRB微动磨损与微动疲劳M成都:西南交通大学出版社,∀#周仲荣,LeoVincent微动磨损M北京:科学出版社,∀#朱旻昊径向与复合微动的运行和损伤机理研究D成都:西南交通大学,∀#DouglasGFrettingCorrosionorFalseBrinellingJTribolo�gyLubricationTechnology,,():∀#周仲荣关于微动磨损与微动疲劳的研究J中国机械工程,,():ZhouZhongrongOnFrettingWearandFrettingFatigueJChinaMechanicalEngneering,,():∀#陶峰,欧阳祖行,刘正埙微动疲劳寿命的估算方法研究J机械设计与制造工程,,():TaoFeng,OuyangZuxing,LiuZhengxunTheResearchonCalculatingMethodofFrettingFatigueLifeJMachineDesignandManufacturingEngineering,,():∀#刘启跃,周仲荣脂润滑对C钢微动磨损特性的影响J摩擦学学报,,():LiuQiyue,ZhouZhongrongInvestigationoftheFrettingWearBehaviorofCSteelunderGreaseLubricationJTribol�ogy,,():年第期徐小红等:润滑油性质对汽车排放后处理系统的影响

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