10月22日，2014北京国际风能大会暨展览会在北京盛大开幕。23日，机械传动系统论坛在W103开幕。论坛由原中国传动集团的副总工程师郭宝霖主持，国际领先轴承公司舍弗勒大中华区齿轮箱团队应用工程师陈向科出席论坛，并就风电齿轮箱轴承失效的原因进行了分析。以下为内容实录：
陈向科：各位专家，各位来宾，大家上午好!很高兴站在这里给大家分享一点轴承应用方面的经验。我是来自舍弗勒大中华区的齿轮箱团队应用工程师，今天给大家带来的话题是风电齿轮箱轴承失效分析，因为风电齿轮箱轴承失效是一个很大的话题。我今天只关注其中的一个要点，抛砖引玉。
我今天的话题大概分两个部分，第一个部分就是简单提一下我们风电齿轮箱的一个典型失效。我们为什么对轴承的失效这么关注，给我们又能带来哪些好处。第二个是我讲的一个重点，对行星架轴承的一个磨损失效进行的深入分析。
我们现在的风机包括齿轮箱传动系统，在这块轴承的应用舍弗勒，包括很多的轴承公司，我们已经有30到40年的应用经验。在过去这么多时间内，对轴承在风电这块的失效，轴承可能的失效模式都曾发生过。但是，有一点我们要提到，在风电齿轮箱内部，轴承出现早期失效只占了很小的一个比例。但是即使这么小的比例对我们造成的经济损失其实是很大的。对于这些轴承失效，有一些确实是来自于轴承自身，但是更多来自于应用工况。轴承的失效反映出我们整个传动链系统的弱点，我们对轴承失效进行应用分析，可以讲是提高齿轮箱稳定性的重要手段。
风电齿轮箱产生的典型失效其实有很多，我简单概括为几个方面。第一、和润滑相关的，实际上也是和最后一点应用关联起来了。但是，这是我们最常见的，就是我们润滑油品的一个污染导致轴承的磨损或者早期的各种点蚀的发生。第二、我们也看到客户现场的安装不当造成的，包括导致轴承的档边断裂，这是早期的导致轴承失效的原因。第三、我们需要做一些深入分析，才能改善我们齿轮箱的可靠性。比如最常见的我们风电齿轮箱的典型失效，我们讲打滑失效，这个实际上在过去十年，我们舍弗勒致力于推广黑化处理的轴承在齿轮箱应用的背景相关的，并且到目前为止我们整个行业对黑化，对打滑的失效已经有了很高的认识。
除此之外，包括我们提到的从应用分析来降低齿轮箱的失效风险，包括前行轮轴承的应用它的打滑导致的早期失效，我们现在推广的应用是不带外圈的轴承设计，我们讲整合式轴承设计。右下角红框圈出来的是我们提到的失效模式，就是在行星架轴承档边的失效。我们可以看到，目前我们齿轮箱最典型的设计就是一级行星，加两级平行轴，包括两级行星加两级平行轴这样的设计形式。在这样的设计当中考虑的成本和设计空间通常在第一级行星架的位置我们应用的轴承有圆柱轴承，也有圆锥轴承。但是，过去很多应用里面，我们看到比较多的满装的应用，这么一个应用，我们应用这么多年，在1.5MW到2MW的范围内它的风险是非常低的。但是随着齿轮箱设计的增大，如果我们把这种设计简单的放大，我们就看到了一个新的风险，这一块就看到了对圆柱轴承套餐档边和滚子发生的磨损失效。图片左边的小图片是滚子的断裂，这种情况继续发生下去，就是整个轴承的破坏失效，最终导致齿轮箱的失效。
这种情况是怎么发生的呢?针对这样的情况，我们可以采取哪些手段避免来提高我们齿轮箱的可靠性呢?针对这一点，我从这样一个机理出发，最终抛砖引玉提出一点预防措施这样的建议。我们讲要考虑轴承的载荷特性，我们就要考虑轴承所载的工况，第一级的行星架载荷来源不是来自于齿轮箱的扭力，或者力矩，它的来源更多和主轴，包括齿轮箱箱体的支撑相关的这样一个系统性模型来分析的。那我们就需要考虑到风级主轴轴承的布置形式对它的载荷是什么样一个影响。我们常见的装机主轴承布置形式有三种，第一、三点支撑，这个图片上主轴轴承有一个轴承，另外是齿轮箱内部的轴承进行支撑。对这样一个设计，作为这样一个传动模型，宏观来看，它是一个两点支撑，主轴是作为一个定位端，整个齿轮箱以扭力臂这个位置作为一个浮动端的设计。从主轴到齿轮箱箱体，这个力的传递就是第一级行星架轴承。从这个系统模型来看，这个行星架轴承承受的载荷是风力载荷，对这种设计，我们对轴承的考核是尤其关键的，尤其是它的承载能力和寿命。我们必须建立如图所示的系统模型才能对轴承进行考核，这时候需要施加的载荷就是风力载荷以及一些部件的制作。
对于这种情况是不存在我们今天要提到的第二点载荷区域风险的，因为两个轴承承受的间相载荷都是比较大的，方向也是一致的，这个大家可以做一个对比。
追轴轴承的第二种和第三种控制形式是两点支撑和单个轴承支撑。这两种设计有一个共同点，从理论上讲，如果主机的传动系统设计的是达到我们理想情况，主轴轴承承受了所有的风力载荷，包括间相载荷，轴向载荷，以及弯距。对于齿轮箱第一级轴承它的载荷在哪里呢?如图所示，整个齿轮箱的重量通过第一级转嫁轴承传到主轴上，最终释放到机架上。通常对于齿轮箱箱体本身的重心相对于我们轴承的位置，它是一个偏心的，再加上整个传动系统有一个倾角，这两个轴承承受的载荷是呈对角曲线的。上方向的轴承承载区域在下部，下方向的轴承承载区域在上部。因为齿轮箱这样一个纵向分离，我们上方向的轴承还需要承受一个轴向载荷。这种载荷有一个特点，由于齿轮箱的动力本身很轻，这两个轴承的间相载荷是很小的。
这样一来会带来什么样一个情况呢?我们从轴承的运动学行为看一下它这样一个失效的机理。从左下角这张图我们可以看到，刚才提到的上方向的轴承正常承载区域在下部，下方向的轴承正常承载区域在上部，对上部这部分区域的滚子，它在轴承内部的运动学行为状态是什么样的呢?对于圆柱轴承为了避免应用的风险，我们通常应用的时候是给它留的正的游隙，由于齿轮箱有这样一个重量的偏心作用，这个轴承的内外圈有一个相对倾斜的，再加上另外一个作用，就是这个轴承承受了轴向载荷，这个时候滚子在轴承内部就会出现图上所示的四点接触情况。尤其是在套圈的档边，包括内圈和外圈，以及滚道的两端，会出现很小的载荷区域。在这么小的载荷区域上，即使施加了力，没有风力载荷，或者更大的载荷，由于它接触区域比较小，应力相当高。
对于这种情况进一步加剧的是什么情况呢?在第一级转嫁轴承通常应用满柱原装的轴承，这是满足经济性和设计空间的要求，在上方向，滚子和滚子之间的间隙比较大，这样一个比较大的间隙，在运动过程中发生一个可能，就是滚子会产生一定的歪斜，会进一步加剧档边接触地方的应力提高。对于这样一个理论上分析，在我们公司轴承计算的专用软件里面可以对它进行一个模拟和输出，左下角是滚子应力的分布图，右边这个图红色区域是在滚子套圈以及套圈的档边接触的区域。最下边这个图是轴承的内圈，因为轴承的内圈承受的是圆周方向的载荷，承载区域是轴承的内圈所有圆周方向都可以出现承载。轴承外圈是由轴承的底部区域承载。但是，我们在分析的结果上可以看到，在套圈的顶部也出现一定的接触区域，并且接触区域比较小，这和我们的理论分析是比较切合的。同时，对外圈或者内圈的档边我们也可以看到轴承载荷的集中区域。
基于这样一个应力的集中就产生了我们一开始看到的档边以及滚子的磨损失效，我们找到了这样一个失效机理，我们就可以进一步想怎么样避免这样一个失效，提高齿轮箱的可靠性。从预防措施来说，第一点最好的办法就是我们选择更合理的轴承布置。对于这块我们提到，我们讲的这个应用风险存在的工况，仅在这样一个特定组合情况下产生，就是齿轮箱，行星架，采用圆柱的轴承，主轴或者形式为两点支撑，和单个轴承支撑的情况。对于主轴轴承，两点支撑和单个轴承支撑，如果有这种风险，我们在计算的时候可以评估出来，怎么进行改进?我们改善轴承的布置，比如采用定位端，不动端等布置形式。除此之外，我们还可以改善整个系统的载荷特性，来降低轴承的应用风险。比如说我们刚才提到的轴承承受的轴向载荷的贡献，如果我们在风机的设计当中或者正在运行的风机有面临这种风险的时候，采用一定的措施降低或者避免这样的一个轴向载荷，也可以降低应用风险。
除此之外，我们也可以采取一些手段，来降低这样一个风险，包括对轴承的一些新的设计的应用，在我们公司，对轴承承受轴向载荷有一个新的设计特性，叫做TB设计，下边这个图大家可以简单看到一个对比。对平端面的滚子，滚子和套圈的接触区域比较狭小，对TB设计的滚子，在滚子的端面实现大冲面的设计，滚子和端面的接触区域明显增大，这样可以降低接触应力。同时，这种优化可以使滚子和端面之间的润滑油更容易形成。
除此之外，磨损的一个来源是润滑油膜被破坏，我们对第一级行星架轴承我们通常由于要考虑到整个齿轮箱的应用，油品在这块的润滑油膜很难形成，我们计算的时候有一个值考虑润滑油的使用年限，这块这个值通常是小于1的。对前面讲的这点失效预防措施就讲到这里。那么，拓展开来，我们希望和所有的专家一道在未来通过我们的应用经验和质量概念的推广，来持续的改善齿轮箱的稳定性。我要讲的就是这么多，大家有什么问题，我们可以有一个互动的时间。
郭宝霖：大家有什么问题需要和舍弗勒提问的。
提问1：我问一下陈总，刚刚提到了端面磨损，原因载荷分析了一下，也提到润滑的影响，它油膜的值达不到1。除了润滑的角度上，如何让它更好的获得润滑减少磨损?有没有一个具体的措施?当然您列到在端部进行所谓的修行来解决接触的面积，从其他的角度来解决这个磨损，润滑方面的一些改善。
陈向科：其实润滑方面是这样的，我们提到润滑油膜比较薄，很难形成。但是，如果润滑油膜很薄，很难形成，如果油品内部再有杂质颗粒更容易被破坏。从润滑的角度，尽可能的改善油品的清洁度。
提问1：比如更高的黏度会不会更有利与抗磨损或者润滑。
陈向科：对。
提问1：现在有没有对油品黏度的建议?
陈向科：对油品的黏度齿轮箱我们考虑从低速到高速轴轴承的主要应用，我们是这样一个成熟的应用经验。
提问2：我想问一下你的这个轴承的计算，一个问题就是你们这个计算当中是不是有真实的载荷数据，然后接下来这个齿轮箱并不是刚性的，就是这个你们有没有考虑进来?
陈向科：这个问题我重复一下，要问的第二个问题是我们是不是要考虑周围部件，第一个是考虑实际的风载。实际上对于我们的计算我们有不同的模型可以进行计算，基于客户的输入。第一种情况如果客户有完整的数据，包括风载，我们刚才提到对三点支撑我们可以建立包括主轴在内的一个系统模型。这种情况就是可以考虑到风载对它的影响。当然，包括刚才您提到的这种弹性变形，我们在这块，包括齿轮箱箱体，在我们软件里边可以输入这样一个刚度矩阵，把箱体作为有限模型进行考虑。但是，通常这种计算是耗时比较长的，并且对客户的输入数据要求比较高。在相当一部分计算当中，我们只能做一些简化，比如对箱体的刚性，对风力载荷，假设完全由主轴来承受。