風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承的抗疲勞制造

何加群

(中國軸承工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100055)

1 軸承抗疲勞制造技術(shù)

疲勞破壞是滾動(dòng)軸承典型的失效形式,疲勞失效形式包括次表面起源型、表面起源型和疲勞斷裂型[1]。

針對上述軸承產(chǎn)生疲勞失效的原因，通過成形技術(shù)、熱處理技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)、表面改性技術(shù)和長效防護(hù)技術(shù)的運(yùn)用，抗疲勞細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)和制造以及高純凈度高耐磨性軸承鋼的研發(fā)和應(yīng)用，可以改善軸承應(yīng)力分布，降低最大應(yīng)力，延緩次表面和表面裂紋源的形成和疲勞裂紋的擴(kuò)張，提高強(qiáng)度極限，防止疲勞斷裂等等，進(jìn)行抗疲勞制造[1](表1)。

表1 滾動(dòng)軸承抗疲勞對策

2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承抗疲勞制造技術(shù)應(yīng)用的緊迫性

2.1 風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

由于國家對包括風(fēng)電在內(nèi)的可再生能源發(fā)展的高度重視，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)2004年以后出現(xiàn)了“井噴式”發(fā)展的態(tài)勢(表2)。我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝配容量已由2006年的世界第6位上升到2007年的第5位，2008年的第4位，2009年的第2位(表3)[2]。

表2 我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

表3 2009年總裝機(jī)容量前10位國家

2.2 龐大的市場

以裝用軸承最多的傳統(tǒng)的帶齒輪箱異步交流發(fā)電機(jī)為例測算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝用軸承量。其中偏航軸承 1套,變槳軸承3套,發(fā)電機(jī)軸承3套,主軸軸承3套，增速器軸承16套,合計(jì)26套。此外，還有驅(qū)動(dòng)減速機(jī)軸承未計(jì)算在內(nèi)。

按每年新增裝機(jī)容量10 000～12 000 MW計(jì)算，則每年需新增750 kW～3 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)約10 000臺(tái)左右，需軸承26萬套左右，其中特大型四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承約40000套左右。按每臺(tái)份軸承銷售額60～70萬元計(jì)算，則每年風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承總銷售額為60～70億元，這對軸承生產(chǎn)企業(yè)來說，是一個(gè)不小的市場。

2.3 緊迫性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組在野外80 m以上的高空中運(yùn)行，不僅要承受沖擊載荷和傾覆力矩，而且工作環(huán)境非常惡劣。風(fēng)場一般都在偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)輸、吊裝十分困難，一旦軸承發(fā)生早期故障，維修費(fèi)用十分昂貴；因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組要求配套軸承至少要有20年使用壽命和高可靠性。由于我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)“井噴式”發(fā)展，我國軸承企業(yè)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承領(lǐng)域倉促上陣，缺乏深入的研發(fā)，留下很多隱患，將來有可能面臨高額索賠。因此，研究和應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的抗疲勞制造技術(shù)已刻不容緩。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承抗疲勞制造技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)

3.1 偏航、變槳軸承

偏航軸承安裝于塔筒頂端、機(jī)倉底部，承載風(fēng)力發(fā)電機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的全部質(zhì)量，用于準(zhǔn)確適時(shí)地調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的迎風(fēng)方向。變槳軸承將槳葉和輪轂結(jié)合在一起，根據(jù)風(fēng)向，調(diào)整槳葉迎風(fēng)角度達(dá)到最佳狀態(tài)。

偏航和變槳軸承要有足夠的強(qiáng)度和承受軸向力、徑向力和傾覆力矩聯(lián)合作用的能力，要求運(yùn)行平穩(wěn)，啟動(dòng)力矩小，潤滑、防腐及密封性能好。

偏航軸承的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：單列四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式、外齒式)和雙列四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式、外齒式)。變槳軸承多采用雙列同徑四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式)。偏航、變槳軸承是特大型轉(zhuǎn)盤軸承，外徑D=1.5～3 m，質(zhì)量為0.5～2 t。

3.1.1 原材料

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定偏航、變槳軸承套圈采用普通合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo，鋼球采用普通GCr15，GCr15SiMn軸承鋼。應(yīng)盡快制定中碳鉻軸承鋼國家標(biāo)準(zhǔn)，對包括制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航、變槳軸承的G42CrMo等特種用途的中碳軸承鋼的化學(xué)成分，氧含量，非金屬夾雜物和碳化物的大小、形狀和分布狀態(tài)作定量控制。鋼球應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)或高級(jí)優(yōu)質(zhì)GCr15，GCr15SiMn鋼。

3.1.2 鍛造

嚴(yán)格按工藝規(guī)范控制加熱溫度、始鍛溫度和終鍛溫度，防止過熱、過燒。鍛造后調(diào)質(zhì)、正火或退火必須嚴(yán)格按工藝規(guī)范執(zhí)行。鍛件若為外購或外協(xié)加工，應(yīng)采取有力措施，加強(qiáng)對外協(xié)、外購件的質(zhì)量控制。

3.1.3 熱處理

為確保套圈溝道和齒輪齒面、齒根的表面淬火硬度，有效硬化層深度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，控制軟帶寬度，防止變形和裂紋，必須對加熱感應(yīng)器的形狀、與被加熱面的距離、相對運(yùn)動(dòng)的速度、冷卻液的成分和冷卻液流量等工藝參數(shù)經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。通過熱處理，要達(dá)到-20 ℃的低溫沖擊功不小于27 J。

3.1.4 溝道精加工

淬火后溝道的精加工有兩種方式：精磨和精車。究竟哪一種方式為最佳，眾說不一，尚需進(jìn)一步探討。精車的加工精度沒有精磨的高，但精車可以防止磨削裂紋的產(chǎn)生，沒有磨削變質(zhì)層。磨加工雙列四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承時(shí)，兩個(gè)溝道應(yīng)一次加工，最好用金剛石滾輪對砂輪一次進(jìn)行修整，以保證兩個(gè)溝道的大小和位置的一致性。

3.1.5 游隙控制

由于偏航和變槳軸承要承受不定風(fēng)力所產(chǎn)生的沖擊載荷，為減小在振動(dòng)情況下滾動(dòng)工作面的微動(dòng)磨損，變槳軸承的軸向游隙為零游隙或很小的負(fù)游隙；偏航軸承的軸向游隙為0～50 μm的小游隙。小游隙和負(fù)游隙必然增大啟動(dòng)摩擦力矩。應(yīng)采取工藝措施，使游隙和啟動(dòng)摩擦力矩均達(dá)到使用要求。

3.1.6 長效防護(hù)

因偏航、變槳軸承部分裸露在外，其外徑需熱噴涂純鋁或純鋅進(jìn)行防護(hù)。為防止軸承內(nèi)部潤滑脂泄漏，外界雜質(zhì)、水分侵入，采用丁腈橡膠制造的壓板組合接觸式密封圈對軸承進(jìn)行密封。

3.2 主軸軸承

主軸起支承輪轂及葉片，傳遞扭矩到增速器的作用，主軸軸承主要承受徑向力，要求具有良好的調(diào)心性能、抗振性能和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。主軸軸承一般采用調(diào)心滾子軸承，大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用大錐角雙列圓錐滾子軸承或三列圓柱滾子軸承。

3.2.1 材料和熱處理

主軸軸承的套圈和滾子采用電渣重熔冶煉的高碳鉻軸承鋼GCr15或GCr15SiMn，按《軍用高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理質(zhì)量要求》的規(guī)定進(jìn)行熱處理。

3.2.2 加工精度

調(diào)心滾子軸承由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)高精度，精度一般最高只能達(dá)到P5；而現(xiàn)在有的設(shè)計(jì)要求P4，因此需要采取特殊的工藝措施才能達(dá)到[3]。

3.2.3 滾道曲率設(shè)計(jì)

采取外滾道與滾子的高吻合率(0.96)和內(nèi)滾道與滾子的低吻合率(0.94)的組合，既提高軸承的疲勞壽命，又控制軸承的功率損耗[4]。

3.2.4 滾道、滾子的表面粗糙度匹配

為了降低摩擦力矩，提高疲勞壽命，使軸承在正常工作時(shí)產(chǎn)生合理的正歪斜，表面粗糙度作如下匹配：滾子表面粗糙度優(yōu)于內(nèi)圈表面粗糙度，內(nèi)圈表面粗糙度優(yōu)于外圈表面粗糙度[4]。

3.2.5 滾道、滾子的硬度匹配

為了提高軸承的疲勞壽命，選取滾子硬度的下限高于滾道硬度的上限[4]。

3.3 增速器軸承

在所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)配套軸承的抗疲勞制造中，尤其要引起高度關(guān)注的是增速器軸承(圖1)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器是大傳動(dòng)比的齒輪箱。其采用3級(jí)變速齒輪傳動(dòng)，輸入端為1級(jí)行星輪傳動(dòng)，中間軸及輸出軸采用2級(jí)平行軸傳動(dòng)[5-6]。由于承受的扭矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍大，傳輸負(fù)載易突變，箱體質(zhì)量與安裝空間有限制，安裝平臺(tái)存在柔性變形等，因而與傳統(tǒng)的重載工業(yè)齒輪箱的應(yīng)用環(huán)境相去甚遠(yuǎn)。

圖1 增速器軸承配置示意圖

20世紀(jì)80～90年代，美國發(fā)生大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器故障。Micon公司生產(chǎn)的增速器有4 000多臺(tái)在保質(zhì)期內(nèi)出現(xiàn)質(zhì)量問題被迫更換，致使這家企業(yè)破產(chǎn)。目前，在各部件失效造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)中，增速器失效所占比例最高，為20%左右。而增速器故障的80%起源于有缺陷的軸承。

因此，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器及其配套軸承(表4)的可靠性研究，已成為當(dāng)前風(fēng)能業(yè)界的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

表4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速器各部位的軸承類型[5]

3.3.1 設(shè)計(jì)技術(shù)

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)研究上居全球領(lǐng)先地位的英國Romax公司提出了對增速器軸承受力分析和壽命計(jì)算的新觀點(diǎn)、新方法。在設(shè)計(jì)增速器軸承時(shí)，不是對單個(gè)軸承進(jìn)行受力分析，而是將軸承與增速器視為一個(gè)整體，在動(dòng)態(tài)狀況下，作為一個(gè)系統(tǒng)來分析。分析過程中，要考慮軸與箱體的變形，多個(gè)軸承之間的相互作用及非線性剛性，軸承內(nèi)部滾動(dòng)體之間的載荷分配等等。

(2)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)[4]。調(diào)心滾子軸承采取外滾道與滾子的高吻合率(0.97)和內(nèi)滾道與滾子的低吻合率(0.95)的匹配關(guān)系，來提高軸承的疲勞壽命。滾子工作表面粗糙度優(yōu)于內(nèi)滾道表面粗糙度，內(nèi)滾道表面粗糙度優(yōu)于外滾道表面粗糙度，有利于滾子產(chǎn)生合理的正歪斜，以降低摩擦力矩，提高疲勞壽命。對圓錐滾子軸承滾子球基面和內(nèi)圈擋邊接觸位置和形狀進(jìn)行優(yōu)化，使?jié)L子球基面與內(nèi)圈擋邊的滑動(dòng)摩擦面形成潤滑油膜。

3.3.2 材料和熱處理

我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定增速器軸承的套圈和滾動(dòng)體采用電渣重熔冶煉的高碳鉻軸承鋼GCr15或GCr15SiMn,按《軍用高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理質(zhì)量要求》的規(guī)定進(jìn)行熱處理。

增速器在工作過程中，齒輪磨損產(chǎn)生的微小金屬顆粒在軸承工作表面形成壓痕，壓痕邊緣形成高的應(yīng)力集中，成為疲勞源，最終導(dǎo)致剝落，縮短軸承使用壽命。日本NSK公司開發(fā)的中碳合金鋼經(jīng)碳氮共滲的STF和HTF鋼，通過嚴(yán)格控制碳氮共滲工藝，使零件表面得到較多的穩(wěn)定殘余奧氏體(約30%～35%)和大量細(xì)小的碳化物、碳氮化物。后者可保證表面的硬度和耐磨性，使壓痕不易形成；前者可以降低壓痕的邊緣效應(yīng)，阻止疲勞源的形成和擴(kuò)展，從而大大提高軸承在如增速器這樣的污染潤滑工況下的使用壽命[5-6]。這方面，洛陽軸承研究所有限公司已進(jìn)行了研發(fā)工作，并取得初步成果[7]。

3.3.3 表面改性處理

表面改性是為了降低摩擦，提高耐磨性，減輕打滑造成的軸承工作表面的損傷。

高載荷工況下能正常工作的軸承在低載荷工況下容易打滑。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速時(shí)，也就是低載荷時(shí)，增速器中承載能力較大的軸承就容易打滑。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整個(gè)壽命中，會(huì)有大量的停機(jī)操作，剎車尤其是緊急剎車引起的增速器軸承打滑也是非常嚴(yán)重的。增速器行星架軸承經(jīng)常采用具有很好剛性的滿滾子軸承。滿滾子軸承的滾子相互接觸并且接觸點(diǎn)具有相反的運(yùn)動(dòng)方向，滾子之間的打滑是不可避免的。

為預(yù)防打滑對軸承造成的損傷，國內(nèi)制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的優(yōu)勢企業(yè)已對增速器軸承進(jìn)行低溫滲硫(離子滲硫、液體滲硫等)的表面改性處理。德國Schaeffler公司從2008年起供應(yīng)的增速器圓柱滾子軸承均采用復(fù)合氧化發(fā)黑處理，有效地防止了打滑對軸承造成的損傷。

3.4 發(fā)電機(jī)軸承

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承的組配形式較多，其中最常用的是深溝球軸承與圓柱滾子軸承組配形式。用兩套圓柱滾子軸承承受較大的徑向載荷，深溝球軸承承受一定的軸向載荷。

國內(nèi)軸承業(yè)界為提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承抗疲勞性能作了以下規(guī)定：(1)套圈和滾子材料采用電渣重熔高碳鉻軸承鋼，按《軍用高碳鉻軸承鋼滾子軸承零件熱處理質(zhì)量要求》進(jìn)行熱處理；(2)游隙選取C3；(3)精度選定P5；(4)圓柱滾子素線采用對數(shù)曲線。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承經(jīng)常因電蝕損傷而失效，日本JTEKT公司開發(fā)的此類軸承的滾動(dòng)體采用高絕緣性的陶瓷材料，也有的企業(yè)在軸承外表面上涂覆絕緣材料來解決電蝕問題。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，科技界倡導(dǎo)對新一代先進(jìn)制造技術(shù)——抗疲勞制造技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，這既是對傳統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)的傳承，又是制造技術(shù)的創(chuàng)新。通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承抗疲勞制造技術(shù)的闡述，促進(jìn)國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承抗疲勞制造技術(shù)的研究及應(yīng)用，以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對配套軸承長壽命、高可靠性的要求；同時(shí)推動(dòng)全行業(yè)開展對各類軸承抗疲勞制造技術(shù)的研究和應(yīng)用。