1.25MW陸上風(fēng)力發(fā)電機組配套自潤滑關(guān)節(jié)軸承研制

段宏瑜, 何海濤, 黃雄榮, 張 翔

(上海市軸承技術(shù)研究所，上海 200031)

近年來,國內(nèi)外風(fēng)電裝機容量不斷擴大,風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)前景看好。預(yù)計至2010年,全球風(fēng)電主機設(shè)備市場容量將超過320億美元。過去,我國風(fēng)電設(shè)備主要依賴進口。以上海為例,已有的20多臺風(fēng)力發(fā)電機組,多數(shù)從美國、西班牙等國進口。

為了改變這種現(xiàn)狀,制定了從“技術(shù)引進”到“自主研發(fā)”的技術(shù)發(fā)展路線。先從德國引進成熟的1.25MW風(fēng)機技術(shù),通過消化吸收和國產(chǎn)化開發(fā)后生產(chǎn)1.25MW風(fēng)力發(fā)電機組。2007年,上海電氣生產(chǎn)了22臺1.25MW的風(fēng)機,完成安裝18臺,在已具備調(diào)試條件的風(fēng)場中12臺風(fēng)電機組全部實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電,運行良好。隨著生產(chǎn)工藝及供應(yīng)鏈的逐步成熟穩(wěn)定,2010年將完成200臺1.25MW風(fēng)電機組的生產(chǎn)。其中的自潤滑關(guān)節(jié)軸承具有免維護的特性,是風(fēng)電機組的重要組成部分之一,安裝后風(fēng)電機組能夠連續(xù)工作20年。

1 風(fēng)力發(fā)電自潤滑關(guān)節(jié)軸承設(shè)計

1.1 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 軸承結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)軸承的使用條件,確定選用擠壓型自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承,軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示,這種軸承具有承載能力大、免維護,而且具有調(diào)心功能。軸承外圈為整體結(jié)構(gòu),采用擠壓成型工藝,承載能力強;整體外圈相對增加了軸承的承載接觸面,使之承受較大的徑向載荷;內(nèi)外圈間的自潤滑襯墊的彈性性能,可緩解沖擊載荷。

1.2 內(nèi)圈材料的選用

9Cr18不銹鋼是馬氏體型不銹鋼,經(jīng)淬火回火后具有較高硬度和耐磨性;在大氣、水、海水中以及某些酸類、鹽類的水溶液中具有良好的耐腐蝕性。經(jīng)退火后又有很好的切削性能,容易加工[1]。在實際使用中,風(fēng)電自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈承受載荷很大,擺動次數(shù)多,要求壽命長,有較高的硬度和耐磨性,且由于使用環(huán)境差,需具備一定的防銹性能。為此,優(yōu)先選用9Cr18不銹鋼材料,能滿足其硬度和強度要求。9Cr18不銹鋼在不同熱處理制度下可達到的性能如表1所示。

表1 材料的性能指標(biāo)

1.3 外圈材料的選用

1Cr17Ni2鋼屬于馬氏體-鐵素體型不銹鋼,經(jīng)淬火回火后在400℃以下使用,該鋼除具有良好的耐腐蝕性和較高的力學(xué)性能外,拋光性能、切削加工性能也很好,在航空工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用。綜合考慮風(fēng)電自潤滑關(guān)節(jié)軸承的外圈受載狀況、防銹性能以及材料的擠壓性能等工藝加工要求,選用了1Cr17Ni2不銹鋼材料,這種材料的性能可以滿足相關(guān)技術(shù)要求。

1.4 自潤滑材料的選用

由于自潤滑材料性能的優(yōu)劣對軸承的承載、磨損壽命、工作適用溫度等影響很大,考慮到該軸承是大負荷低速擺動,軸承無載旋轉(zhuǎn)啟動力矩(裝入桿端體后)允許的范圍是0.2～0.6 N?m。同時,要求在動載荷下的磨損試驗量不能大于0.11mm。

選用了由上海市軸承技術(shù)研究所牽頭,上海市紡織科學(xué)研究院、上海市合成樹脂研究所共同參與研制的自潤滑襯墊,它是一種聚四氟乙烯的編織物,能在高低溫環(huán)境下使用,重載荷條件下,摩擦系數(shù)低,磨損量小,彈性變量大。這種自潤滑襯墊在上海市軸承技術(shù)研究所研制的其他規(guī)格型號的自潤滑關(guān)節(jié)軸承中已被廣泛使用,已經(jīng)過長期的生產(chǎn)、使用及各種試驗的考驗。其性能比其他同類自潤滑襯墊優(yōu)秀,且質(zhì)量穩(wěn)定,工藝性、粘接性能都能達到相關(guān)要求。

2 綜合性能試驗

2.1 靜載荷試驗

軸承徑向靜載荷試驗裝置如圖2所示,先對軸承施加4%～6%徑向額定靜載荷的預(yù)加值,恒壓3 min后,將測量裝置調(diào)“零”,再以每秒增加 1%規(guī)定載荷的速率加載,直至達到規(guī)定的額定靜載荷。恒壓2 min后記錄總變形量,再以同樣的速率把載荷加至預(yù)載值,此時記錄永久變形量[2]?？傋冃瘟繎?yīng)小于0.20mm,永久變形量應(yīng)不大于0.07mm。

圖2 徑向裝置圖

軸向靜載荷試驗裝置如圖3所示。加載方式同靜載荷試驗。軸向靜載荷試驗只需記錄永久變形量,應(yīng)小于0.12mm。

圖3 軸向裝置圖

風(fēng)電軸承軸向試驗載荷為50 kN,徑向試驗載荷為760 kN,軸向試驗見表2,徑向試驗見表3。

表2 徑向額定靜載荷試驗

表3 軸向額定靜載荷試驗

2.2 自潤滑墊層剝離強度的測試

如圖4所示,從外圈內(nèi)球面上剝離襯墊,剝離應(yīng)在粘結(jié)襯墊的整個寬度上進行。剝離的襯墊與粘結(jié)面成140°±40°,測量使襯墊開始剝離的最小力。剝離強度單位為N?mm-1,計算時襯墊寬度值取外圈寬度值減去2倍倒角尺寸。剝離強度值應(yīng)不小于0.35 N?mm-1。

圖4 剝離試驗裝置試例

考核自潤滑墊層與軸承外圈粘結(jié)的牢固強度,其抗脫開強度應(yīng)符合GJB 5502標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。裝置圖如圖4所示,將測試軸承沿軸心線剖開,經(jīng)過測試,GE50DEM1T/YA剝離強度為1.1 N?mm-1?？梢钥闯?本項目中的襯墊剝離強度都達到了國軍標(biāo)要求的3倍左右。

2.3 軸承墊層密合度測試

用塑性材料將軸承內(nèi)、外圈固定,防止內(nèi)圈相對外圈運動。再在沿內(nèi)圈軸心線并垂直于外圈端面的方向上把軸承剖開,產(chǎn)生如圖5所示的剖面。研磨并拋光該表面,獲得清晰的內(nèi)圈球面與外圈內(nèi)球面的圓弧曲線。使用測量精度不低于0.01mm的儀器,從外圈寬度(H)的1/10處開始測量內(nèi)、外圈間的徑向距離t值,依次記錄5處:t1～t5。它們的差值,即軸承的密合度值不應(yīng)大于0.07mm。圖6為通過工業(yè)CT拍出的CT圖片,從圖上可以看出墊層厚度之差均滿足要求。

2.4 磨損試驗

2.4.1 常溫磨損試驗

把軸承安裝在試驗裝置上,軸承內(nèi)徑與軸的配合間隙在0.013～0.038mm,軸承的安裝要使軸在徑向載荷作用下受雙剪切力且彎曲變形最小,內(nèi)圈能相對外圈旋轉(zhuǎn)。

施加產(chǎn)品圖樣規(guī)定的徑向擺動載荷,保持恒壓15 min,測量裝置調(diào)“零”開始磨損試驗。試驗時內(nèi)圈從0°擺動到±25°,擺動頻率為每分鐘10～15周,共循環(huán)25000周。每一周應(yīng)是從0°擺動到+25°,返回到0°,再擺動到-25°,再返回到0°的擺動,用磨損量與相應(yīng)的擺動周數(shù)繪出擺動磨損曲線[3]。表4是風(fēng)電軸承GE50DEM1T/YA軸承的常溫磨損記錄。磨損曲線如圖7所示。

表4 GE50DEM1T/YA常溫磨損記錄

圖7 常溫磨損曲線

2.4.2 高溫磨損

軸承放置于高溫箱中,安裝方式同常溫磨損。將軸承在163℃環(huán)境溫度下恒溫10 min后,在該溫度下進行25000周磨損試驗。表5為 FSZZ01襯墊高溫磨損記錄,圖8為高溫磨損曲線。

2.4.3 低溫磨損

試驗軸承在-23.5℃下進行低溫磨損試驗。表6為FSZ-Z01襯墊低溫磨損記錄,圖9為低溫磨損曲線。

表5 GE50DEM1T/YA高溫磨損記錄

圖8 高溫磨損曲線

表6 GE50DEM1T/YA低溫磨損記錄

圖9 低溫磨損曲線

2.4.4 長時間磨損

為驗證軸承性能,上海市軸承技術(shù)研究所對GE50DEM1T/YA軸承進行了長時間的磨損試驗,分別達到了80000周和100000周,遠遠超過了國軍標(biāo)5502規(guī)定的25000周。表7為該軸承的試驗記錄,圖10和圖11為磨損曲線。

表7 GE50DEM1T/YA長時間擺動磨損試驗記錄

從以上試驗可以看出,FSZ-Z01襯墊的磨損量仍小于GJB5502標(biāo)準(zhǔn)允許的擺動25000周后磨損量,可見FSZ-Z01襯墊耐磨損性能優(yōu)異。

3 結(jié) 語

1.25MW陸上風(fēng)力發(fā)電機組配套自潤滑關(guān)節(jié)軸承GE50DEM1T/YA,在設(shè)計結(jié)構(gòu)、材料選配、冷熱制造工藝、產(chǎn)品檢測等方面能滿足用戶、設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)要求。

軸承經(jīng)過了密合度測試、徑向、軸承靜載荷、極限載荷測試,并經(jīng)過了常溫、高溫、低溫的25000周及長時間的磨損試驗,軸承性能良好。該項軸承已經(jīng)裝機試用3年,目前工作正常,現(xiàn)已批量供貨。

[1]顏鳴皋,劉多樸,師昌緒,等.航空材料不銹鋼手冊[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1988:707-721.

[2]GJB 5502-2005,低速擺動自潤滑向心關(guān)節(jié)軸承規(guī)范[S].

[3]SAE AS 81820-1998 Bearings,Plan,Self-aliging,Self-lubricating, Low Speed Oscillation, General Specification for[S].