风电机组传动系统——北京国际风能大会展中报道

宣安光：下一个是北京见恒认证中心有限公司的程人杰先生，介绍了一下基于设计流程的风力发电机组传动技术。

程人杰：我今天下午的演讲题目是基于设计流程传动系统动态特性认证。

我的演讲议题主要是以下两个方面，一个是分析流程，还有我们的示范项目。以及继续开展的前瞻性研究。根据这个风力发电机的气动原理，要提高发电机组的容量和传动规模。由于大轮叶片和塔架以及引发的振动，传统的部件惯性增加，高度降低，将整个的机组集中供应的频率也会向低频率的方向去延伸。大容量机组的系统，更适合振动的影响，而在早期的风电机组设计的载荷计算中，进行了比较简化的计算方式。这样的简化的建模无法获得准确的载荷情况，很多的设计都是采用了一些外推，或者是说功能假设的方式来获得的载荷。那么经过了设计的发展，其实发现在很多的风向中传动系统发生了破坏，很多的载荷计算会不准。不准的原因是在于载荷计算的时候，对于传动系统没有进行高度的建模，从而无法获得比较有效的，或者是说接触比较高的传动系统的载荷，需要有一套更好的或者是说更能面向实际的风电机组的传动系统的动态设计方案和方法。

首先我们看一下动力学建模的概念，可以构建关键部件载荷计算，整机的模型，包括详细的传动系统的建模，利用动力学建模技术我们可以进行关键部件载荷计算，动强力校核，系统动态特性评估等。使用发电机组多半设计的认证方法的优势在于能够帮助我们的企业和业主极大的缩减成本和研发的时间。目前国外许多知名的风力发电机组认证公司已经强制动力学认证，而我们目前国内的业主和厂商也在不断的研究涉及动力学分析的相关技术。基于此认证中心在目前的风力发电机组设计认证范围内的工作。这是从2011年开始认证中心联合了西门子集团开展了科研项目，来进行该项目的技术储备。这两个项目中我们总结出了特性的认证流程。那么在这个过程中首先我们的厂商向我们提供机组的主要设计参数和模型。我们进行构建模型和厂商提供了检查。其次我们会进行传动系统的动力决策分析，最后撰写评估报告，那么在接到流程中，我们制订了相应的规范来保证流程的实施和有效性的开发。这个规范是我们传动系统的分析规划，这个规范包括了三个部分第一个是包括了部件力学模型建模，还包括了传动系统的计算与分析，还有传动系统的振动检查规范，在国外，包括美国和欧盟的许多项目，都在进行相关技术的研发。而且我们看一下传动系统动力学的建模的规范。对于传统系统的主要的部件，叶片，主轴等等主要的机构我们都制定了相应的标准和规范来保证部件建模的有效性和精确性。分析的过程中我们指定了特殊的工况，因为风机在运行中会遭遇很多的工况，但是我们选择了一些特定的工况，详细的评估机组的特性。那么通过传动系统的特性的检查来评估机组的振动要求是否符合相应的标准。那么以我们与南车风电事业部合作的示范项目为例我来详细的向大家介绍一下认证流程。首先是进行部件的力学建模。以主轴为例，首先提交模型，然后进行模态的缩减，形成可以表述构建力学特性的模态模型。对于传动系统的主要的部件都要进行相应的力学简化建模来描述这些特性。那么整个部件进行力学建模之后，进行动力学的原理进行零部件的装配来形成一套完整的动力学模型。在完整的一个传统系统动力学之后首先进行第一步是模态计算，通过一个图来分析机组的运行过程中可能存在的共振点。

其中这张图向我们展现了潜在的共振点，发生了哪些振动呢，我们可以对模态能量分布图两看看哪一个金属部件发生的振动。基于计算，我们又和南车风电一起进行了机组的样机的测试和模态测试，我们先看一下样机的测试，这张图展示的是一个传感器位置的图，主要固定在前中后和发电机的配制。通过测试和仿真的联合比较，我们来检查传动系统潜在的共振点，在这个图上数据曲线的部分来自于测试数据，下面的动画是我们仿真的结果。我们通过测试数据发现了高速轴，齿轮箱高速轴的扭转频率，进行振动传递的时候，由于系统存在着发动机的某一些固有频率，高速轴的振动，向前传递的时候振动放大，而由于某一种频率的存在，高速轴向后传递的时候发生了一定的传达方向。这样的话就准确的定位系统的哪一个频率发生了共振，这些振动的形式是什么样的，以及包括振动的部件是哪一个，以便我们下一步进行减震等有关的措施。

基于我们这个测试我们提出了与传动系统动力学的补充和认证。在动力学标准中是不考虑发动机的认证的，我们发现发电机也是存在着动力学问题的，包括我的同事在做的这个2012年全国风电设备运行调查报告中也发现在发电机事故中轴承的故障占到了20%，发电机轴承故障主要是由于发动机的响应造成的，所以说我们的认证标准中会进行发动机的动态认证。对于认证扭动发生的振动不同，我们提出了基于轴的VDI标准提出了全动的测试，我们也提出了极端的载荷工况下进行一个认证标准。基于南车的项目，我们的成果，包括国内风电设备认证机构第一张传动链动力学认证证书等业务。通过传动系统的动态认证可以评估零部件的机械性能，零部件与整机的兼顾性，查找共振点，通过我们的合作，提出了GL2010传动系统动力学认证更为全面的风电设备振动评估标准和指南。利用方针和样机测试相结合的方法，可以准确的定位机组振动来源和发生的位置，为采取有效的措施奠定基础，风电机组在长时间的运行后会产生转轴不对中，不见装配错位等情况。我们可以开展振动的故障和整装业务。在前期开发的标准，我们后续会去研究一下传动系统的仿真所产生的影响，包括继续开展尺寸型的发电机组的尺寸的动态认证。

在这个项目中特别感谢中国南车株洲电力机车研究所的有限公司的三位工程师在风电机组传动系统动力学认证规范编写与技术的合作，谢谢大家。

宣安光：下面是最后一个给大家演讲的是比较有实力的轴承公司，他们在主轴系统轴承配制的可靠性和方案介绍，下面请陆建国工程师给大家做介绍，大家欢迎。

陆建国：我叫陆建国。是来自于铁姆肯中国投资有限公司的业务工程师，主要是负责业务区这边的主轴承和业务分析险情等分析的工作。今天我要跟大家所探讨的话题是风电机组主传动链和主轴，包括主轴承箱的解决方案的探索。

我的内容主要是三块，第一块是主轴轴承的支撑结构的设计趋势，第二个是主齿轮箱的轴承设计选型趋势分析的情况，这两块会讲得快一点，因为我想把重点放在第三块，这是目前轴承行业，全球轴承行业非常热门的话题，国内比较少，但是在国外是非常热门的话题。轴点白点蚀损伤的话在国内非常多，但是国内的客户还没有意识到，还不知道什么是白点蚀。

对于平衡你轴承可靠性和成本效率等多个方面的因素，从轴承的趋势来看的话，1.5兆瓦，包括部分1.5兆瓦以下的机型。主要典型的代表是1.5和2.5等等。还有一种是超大圆锥，单轴承的双链圆规。都是西门子三兆瓦的都有，五兆瓦以上的就是说这是什么界限，五兆瓦以上的，包括五兆瓦，一般来说是两种形式，一种是超大的圆锥，像六兆瓦，包括3.5兆瓦等等。还有如果是七兆瓦以上的，一般来说我们目前看到的基本上都是两个单位的。包括国外，国内的我们正在和他们合作的尤其像十兆瓦的机型，这种的话一般是单列圆锥。那么这些轴承选心形式更有优缺点。时间关系我拿一种来一个解释，比如说这里是一个调心轴承，我们知道在1.5兆瓦以下，包括部分的1.5兆瓦主流是调心轴承最大的优点是调心，也就是说你如果说轴以及轴承柱有一个大损伤的话，一般的话一般允许是正负1.5度的偏心，这是一个比较大的平衡，所以的话你可以看到在很多的情形，如果是两个双轴承方案的话，他的一个轴承座可以是分开的因为调心轴承对轴承度的要求相当低，这是他的优点，他的缺点是当你超过30%的时候，这个轴承就有可能会单列承载。所谓的单列承载只有一个列在。我们知道他的设计者在设计的时候假劣双列轴承都受载的，实际上只有一列在受灾，也就意味着他的承载能力降低为原地的1.73分之一，而不是二分之一。1.73分之一的话基本寿命也可以降低很多，因为你承载能力如果是降低为二分之一的话他的基本寿命就降为原来的十分之一，这不是一个线性关系，非常大。而且条形轴承内部的原因做不到存很多空，所以现场的话看到不少损坏的情况。我本来也是有幸参与了几次轴承分析，以及解决方案的处理。一开始对于损坏的轴承怎么样来处理的，一般是两种方案，一种方案是改设计，存在的局限是什么，锥轴承和圆柱轴承的话对轴心座要求比较高，不仅要改轴承，还要改轴承座等等，这种成本比较高，一般客户不愿意。另外一种方法加涂层，看起来是黑色的，和我们常说的发黑处理，或者是说氧化处理不一样的，氧化处理是内外圈都需要发黑，这种轴承的话只需要在轮子上加就可以了。

接下来是齿轮箱的设计方案，说起来的话起码两个小时才可以把这个话题讲完，我这里挑选一个行星轮，早期是条形滚轴承，像非常著名的布兰德早期就是这样，慢慢的欧洲改成的圆柱或者是圆锥轴承。圆柱一般是用四个圆柱，四列圆柱的话现场的情况用得还可以，但是潜在问题是四列很难保证受力均载，有四列，所以要加一定的安全性在里面，选性的话受的限制大一点。那么从发展趋势来看的话，现在对这个星星轮这一块的轴承有一个趋势，也就是说集成化。因为你现在功率越做越大，要求越来越高的话，会把这个外圈放在齿轮上可以是圆柱轴承，也可以是圆锥轴承，圆柱接触的比较多的，圆锥集成到上面的话，国内还是比较少的，齿轮的内孔作为滚道，加工难度和精度各个方面要求比较高。但是采用了这个以后可以解决跑圈的问题，而且提高了功率的问题。

我把重点放在第三块，就是说白点蚀损伤这一块。其他的行业以前非常少见，但是在风电行业，国外被发现比例是相当高，这种损伤有两种表现形式，一中是脆性剥落，有材料剥落下来，还有一种是轴向的断裂，我们说风电轴承，尤其是高速轴，以及高速中间轴的话，这种白点蚀比例非常高，但是国内很多人没有意识到是白点蚀损伤。为什么?因为看到这个损伤模式可能没有意识到，可能以为是材料本身的问题，或者是其他的问题等等这样考虑，并不会说意识到这是一个白点蚀的问题。如何来鉴别这个轴承的损伤，到底是不是白点蚀损伤呢?我们必须要做一个镜像的分析，也就是说深入到材料的结构去，为什么叫做白点蚀?这个名字怎么来的，为什么这么称呼?有原因的。

一般来说我们知道如果做过镜像分析的同事都知道，我们一般是做一个切片，把材料切下来做一个切片，然后先进行一个酸蚀，在切片上滴腐蚀性很强的酸，为什么酸蚀呢，如果直接把切片放在显微镜上去看的话，很多的零部件的表面光洁度非常好，看的话光密度好是一个镜面反射，这个图最下边的，左边是一个经面放射，你在显微镜上看到的是白蒙蒙的一片，也就是说看不到里面的组织结构的真正的东西。所以说我们做镜像分析的时候，必须有一个叫做酸蚀，腐蚀掉一部分的材料以后，左下角的图片右边部分是坑坑洼洼的。

坑坑洼洼之后是一个漫反射，在光学显微镜下可以看清楚我里面是一个什么样的结构，有什么样的组织结构，什么铁都可以鉴别出来，正常的情况下是需要做酸蚀实验。

现在如果说这个材料发生了白点蚀损伤之后，再去做酸蚀以后他们发生一个问题，像右下角这个图，一个绿色的虚线是取的一块切片进行酸蚀，结果是左下角这个图是光华白色，粗糙黑色的图，这个结果是我们可以看到上面两个图的材料有一个区域和其他的周围区域明显不一样，在光学显微镜下左下角是白色的，右上角是灰色的，不一样的，这个区域和其他的不一样的一条我们叫做白点式区域，这个区域右下角是一个切片，一部分取到原来的区域的，一部分是原来的组织材料，放大以后的结果是左下角的图。你可以看到白点蚀的区域酸蚀之后依然是一个镜面反射。然后右边是一个正常材料的漫反射，也就是说这个轴承发生了一个白点蚀以后他的材料内部组织结构发生了变化，你酸蚀的话不成功。你看起来就是白茫茫的一片，所以这个图里面就是白的，这个是白点蚀的名字的由来。

这个白点蚀是如何形成的，目前的话其实整个轴承行业全球范围来说风电行业还没有一个定论。但是各家也提出了各自的方法，提出了自己的意见，2011年美国新能源实验室论坛上各家提出了不同的观点，但是综合来看的话是两种观点，第一种是认为是一个氢脆，什么意思?他的氢元素从润滑油里边吸出来渗透到材料里面去。我们知道氢元素有一个脆化的作为，含氢元素当了就容易脆化。要不然就剥落，要不然就断裂。还有人说了这种损伤行业在其他的行业不常见，只有在风电行业常见，很有可能和工况有关。风电的工况非常热烈，风电的工况的齿轮箱动态变化非常多，不稳定。这种理论认为动态的工况使得尤其在极限工况下轴承的材料有局部可能造成了塑性变应。不断的进行继续运行之后把这个碳原子融入到了组织材料里面去，碳原子溶解进去以后这个组织材料和结构发生了变化，就是说他出现了一个区域，这个区域是白点蚀区域。那么怎么样理解这句话，就是说这个碳原子为什么溶解到材料里面去了，本来是游离的。像喝咖啡一饮，你喝咖啡的时候，如果是冷咖啡，可能不太容易溶解，如果把咖啡加热一下，给它一种能量，伴随着能量的转移和转变以后，咖啡溶解进去了，这个时候咖啡充当一个催化剂的作用。同样的道理，我发生了塑性变形，我们知道这其实也是有能量的转移和变化的。有了这种能量的转移和变化，在不断的动态工况的持续下，这个碳原子也就溶解到材料里面去了。你们看右下角这个图，这是放大了一百塔米，0.1微米的图，放大了很多很多倍了，是经常做镜像分析的人一看就知道，右下角这个图分两块，上面是非常的致命，下面是感觉到坑坑洼洼的，上面是镜面反射，下面是正常材料的区域，被酸蚀之后正常的现象。经常做镜像分析的人一看就知道下面的区域是比较亮的那部分是游离的碳原子，这些人经常做分析的人可以知道。可以看到上面的白点蚀区域没有这些，基本上是没有游离碳原子的，证明了游离的碳原子是溶解进去了，没有一个游离状态的碳原子，断裂是发生什么状态呢，什么位置?左上角那个图，左边是白点蚀区域，右边是原来的材料结构，断裂在两种材料的边界值，因为两种材料的性质不一样，性能也是不一样的。所以是最容易发生断裂的。

那么各家有不同的理论，对于题目来说的话我们是做了很多的分析，也发表了很多的论文。那么基本上我们是赞成第二种观点，我们不认为氢脆的原因，我们更认为是工况原因造成的现象。

为什么?一个简单的证据看右下角这个图的白点蚀区域和下面的区域是界限非常明显，感觉边是非常的尖锐，白点蚀区域是白点蚀区域，正常区域是正常区域，感觉是一刀切，没有一个过渡的区域，如果是氢脆的话，氢元素吸处理，渗透到钢材材料的话，按理来说是有一个浓度的阶梯，不可能说画一条线，这边氢元素浓度很高，那边一点儿没有，那是不可能的，一般的氢元素溶解进去的话，是有一个浓度梯度的这样的话一般来说不太会容易形成这样一个非常尖锐的一个边缘。所以的话这是我们认为这种白点蚀最主要是由于工况行业的大工况造成的。

发生损害和频率有关。高速轴和高速中间轴的频率最快，也就意味着他是最容易发生这个问题的，从我们接触的情况来看，国外已经各大主要的齿轮箱制造商都已经意识到这个问题了，他们现在在积极的采取措施，国内的话我们看到的比较少，但是也有目前的话我们国内最大的齿轮制造商的话也已经开始注意到这个问题了。包括像GE这种比较大的公司的话，很多已经开始强制要求你轴承供应商的采取这些措施。那么采取什么样的措施呢?各家也有不同的方法，因为理论不同。我们的方法是第一尽可能的减少周期的游离，尽可能的减少，增大承载区。另外最主要的是采用生态钢的钢材，生态钢对裂纹的延展有阻碍作用的。第三个是成本比较高，所以说最现实的是采用渗碳钢。欧洲的话目前各种方案方法都在尝试，用碳的，也有发黑的，发黑的成本比较低，但是缺点是发黑容易磨损。我们做过测试，转的快，高速轴的话磨两三个小时可以清晰的看到很多位置已经磨掉了，只能说保护一时，不可能长时间的保护轴承，所以像很多的国外的风机制造商的话，对齿轮商的高速轴，高速中间轴的话很多要求用生碳这样子，已经逐渐重视了，包括国外的厂商也开始慢慢重视这个问题。