兆瓦級(jí)風(fēng)電變槳軸承的技術(shù)要求與制造

張宏偉，扈文莊，邢振平，劉河

(1.大連冶金軸承股份有限公司，遼寧 大連 116202； 2.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；3.金風(fēng)科技股份有限公司，北京 100176)

1 變槳軸承的技術(shù)要求

變槳軸承作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，與變槳驅(qū)動(dòng)裝置一起作用，通過(guò)改變?nèi)~片角度(即槳距角)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片輸出功率的控制和槳葉的安全性保證。變槳軸承承受3個(gè)方向交變的軸向力、徑向力和大的傾覆力矩，載荷分布如圖1所示。

圖1 變槳軸承載荷分布示意圖

變槳軸承的工作環(huán)境非常惡劣(高溫、高寒、高原、高鹽和高風(fēng)沙)，要使其滿足20年使用壽命的要求，就必須保證變槳軸承在整個(gè)運(yùn)行期間，保持均勻和穩(wěn)定的啟動(dòng)摩擦力矩、有效的密封，變槳不能出現(xiàn)失敗。

由于兆瓦級(jí)風(fēng)電變槳軸承要求高可靠性和長(zhǎng)使用壽命且又是雙排四點(diǎn)接觸球結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)成品和零件的技術(shù)要求不同于普通回轉(zhuǎn)支承。套圈材料要求為爐外精煉真空脫氣、符合EN10083標(biāo)準(zhǔn)的合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo4；套圈基體做調(diào)質(zhì)處理，硬度大于260 HB，材料的力學(xué)性能要達(dá)到：抗拉強(qiáng)度σb≥850 MPa、屈服強(qiáng)度σs≥650 MPa、伸長(zhǎng)率δs≥12%、-40 ℃時(shí)V形試棒的沖擊功平均值大于27 J。保持架采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345C或合金結(jié)構(gòu)鋼QSTE380Tm制造。

套圈溝道的硬度和有效硬化層厚度是軸承壽命的保障基礎(chǔ)。由于42CrMo4表面淬火后硬化層與基體之間沒(méi)有過(guò)渡層，因此在承受載荷時(shí)，出現(xiàn)疲勞的位置在硬化層與基體之間。如果溝道硬化層厚度不足，溝道載荷的作用力會(huì)直接作用在硬化層與基體之間并產(chǎn)生疲勞裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使溝道材料呈片狀脫落，造成軸承損壞。當(dāng)承受瞬間極限載荷時(shí)，會(huì)在溝道與鋼球接觸部位產(chǎn)生塑性變形(壓痕)，影響軸承的回轉(zhuǎn)，產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間承受大載荷時(shí)，鋼球會(huì)緩慢地?cái)D壓溝道，使溝道產(chǎn)生塑性變形，將變形量從軟帶擠出形成凸出，影響軸承的回轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)ㄋ垒S承。因此,套圈溝道采用中頻表面淬火，硬度為57～62 HRC，有效硬化層成品厚度取決于鋼球直徑，最薄應(yīng)大于4.5 mm；齒部采用中頻或高頻表面淬火，硬度為50～60 HRC，有效硬化層厚度參照ISO 6336-5(E)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，最薄應(yīng)大于1.5 mm。

為消除軸承運(yùn)行時(shí)高頻振動(dòng)造成的鋼球與溝道之間產(chǎn)生的沖擊載荷，軸承采取負(fù)游隙，即溝道與鋼球之間有預(yù)過(guò)盈，過(guò)盈量用啟動(dòng)摩擦力矩來(lái)確定。2個(gè)單溝道啟動(dòng)摩擦力矩的差值是2個(gè)單溝道過(guò)盈量的差值，過(guò)盈量的差值直接影響2個(gè)溝道承受載荷的分配。為使2個(gè)溝道均衡地承受載荷，2個(gè)單溝道啟動(dòng)摩擦力矩的差值應(yīng)盡可能小。成品啟動(dòng)摩擦力矩(未裝密封)與單溝道啟動(dòng)摩擦力矩的關(guān)系決定了軸承能否實(shí)現(xiàn)雙排溝道同時(shí)承受載荷。成品啟動(dòng)摩擦力矩與單溝道啟動(dòng)摩擦力矩之比為1.3～1.7時(shí)，才能保證雙排溝道同時(shí)承受載荷；比例關(guān)系超出范圍則意味著雙排四點(diǎn)接觸球軸承承載能力減為單排四點(diǎn)接觸球軸承承載能力，一旦裝機(jī)會(huì)給風(fēng)機(jī)帶來(lái)極大隱患，當(dāng)風(fēng)機(jī)需要承受極限載荷時(shí)，將由于軸承的承載能力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而造成變槳失敗。

軟帶是軸承承受載荷的薄弱環(huán)節(jié)。單個(gè)套圈溝道的2個(gè)軟帶位置應(yīng)相錯(cuò)180°，安裝運(yùn)行時(shí)，在軟帶位置要保證相當(dāng)于有1個(gè)溝道在承受載荷。

密封圈材料采用耐油的丁腈橡膠，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)其使用壽命要達(dá)到20年，密封壓縮量要能滿足在使用壽命中，軸承的腔內(nèi)工作壓力保持在0.2 MPa，極限壓力達(dá)到0.25 MPa。

2 軸承的制造技術(shù)

2.1 套圈的加工工藝

兆瓦級(jí)風(fēng)電變槳軸承的套圈加工與普通回轉(zhuǎn)支承的加工工序基本一致，但因其為雙排四點(diǎn)接觸球結(jié)構(gòu)，且要保證雙溝道均衡地承受載荷，故在加工上又有別于普通回轉(zhuǎn)支承。其特殊性在于：所有的工藝措施都是為了保證成對(duì)合套的內(nèi)、外圈溝心距一致以及單個(gè)套圈的兩溝道平行度達(dá)到很高要求。因此，基于上述兩點(diǎn)，加工中首先要通過(guò)多次高溫回火最大限度地消除套圈自身在熱處理和粗加工時(shí)的殘余應(yīng)力，以避免在加工過(guò)程中因應(yīng)力釋放而造成套圈的變形。關(guān)鍵工序精加工雙溝道采取的方法有兩種：一是用帶電子吸盤(pán)工作臺(tái)的高精度數(shù)控立車精車雙溝道；二是用高精度數(shù)控立磨1次磨削雙溝道。

采用帶電子吸盤(pán)工作臺(tái)的高精度數(shù)控立車精車雙溝道，主要是利用電子吸盤(pán)工作臺(tái)裝夾工件，能很好地消除工件自身原有的變形對(duì)加工的影響，可以加工出高平面度的工件基準(zhǔn)面和很好的兩溝道平行度；利用機(jī)床高重復(fù)定位精度配以陶瓷或立方碳化硼刀具，加工出公差小于0.008 mm的溝道中心距和很好的溝道輪廓度，但加工時(shí)要有高精度的兩溝道中心距測(cè)量設(shè)備定期進(jìn)行檢測(cè)。

采用高精度數(shù)控立磨1次磨削雙溝道，是將兩片經(jīng)過(guò)同一金剛石滾輪成形修整的砂輪對(duì)內(nèi)、外圈的雙溝道同時(shí)進(jìn)行磨削加工，既能保證溝道中心距一致的要求，又使溝道表面粗糙度降低。只是每個(gè)型號(hào)都要配備金剛石滾輪，在沒(méi)有形成批量生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)成本較高。采用精磨溝道方法加工溝道還需要配備輪廓儀來(lái)檢測(cè)磨削試片或配備便攜式輪廓儀直接檢測(cè)溝道的輪廓度，并配備磁粉探傷機(jī)檢測(cè)磨削裂紋。值得注意的是，采用雙溝道1次磨的工藝，常常會(huì)出現(xiàn)加工出的溝道在測(cè)量時(shí)完全滿足尺寸與精度要求，但在裝配時(shí)總有1個(gè)溝道的游隙不符合要求，使得軸承在裝配時(shí)需反復(fù)調(diào)整鋼球規(guī)值以達(dá)到兩溝道摩擦力矩和預(yù)過(guò)盈量的一致。這是因?yàn)樵诰系肋^(guò)程中，由于零件的技術(shù)要求、工藝基準(zhǔn)的選擇、機(jī)床的調(diào)整、操作手法、裝夾方式和生產(chǎn)節(jié)奏的影響，使得相互對(duì)應(yīng)裝配的溝道壓力角發(fā)生變化，加之鋼球與溝道間為預(yù)過(guò)盈，溝道壓力角的微小變化都會(huì)對(duì)游隙選配產(chǎn)生較大影響。

2.2 保持架的加工工藝

變槳軸承的保持架由于外形尺寸大，精度要求高，采用沖壓工藝時(shí)由于框梁尺寸小，沖孔時(shí)框梁變形大，不能滿足保持架的精度要求。因此，采用激光加工與機(jī)械加工相結(jié)合的方式加工兜孔，采用滾圓整形、滾擠消棱的方法進(jìn)行整圓加工，使保持架達(dá)到要求的精度。

加工工藝的4個(gè)關(guān)鍵工序是：激光打孔、滾圓整形、滾擠消棱和精整兜孔。采用臥式激光切割機(jī)切割出兜孔，兜孔精度高且框梁不變形，并留出精整的留量；采用專用滾圓整形機(jī)床對(duì)保持架進(jìn)行滾圓整形，滾壓出符合要求的圓度；采用專用滾擠機(jī)消除滾圓整形工序產(chǎn)生的棱圓；采用專用兜孔精整機(jī)精整兜孔，以提高其尺寸精度和降低表面粗糙度。

2.3 裝配工藝

在批量生產(chǎn)時(shí)采用鋼球規(guī)值配游隙的方法既經(jīng)濟(jì)，又高效。選配時(shí)，通過(guò)測(cè)量溝道尺寸，按照配算零游隙的狀態(tài)選配內(nèi)、外圈。若是精車溝道工藝，還需測(cè)量?jī)蓽系乐行木喑叽纾凑諟闲木啾M量一致進(jìn)行選配，并且使成對(duì)的內(nèi)、外圈理論游隙為零。由于測(cè)量量具的測(cè)量誤差，需用測(cè)量鋼球?qū)x配游隙進(jìn)行校核，測(cè)量鋼球的規(guī)值要比裝配用鋼球的最小規(guī)值小0.01～0.03 mm。測(cè)量游隙不能超過(guò)0.03 mm，否則用來(lái)計(jì)算的實(shí)測(cè)游隙值在計(jì)算過(guò)盈量時(shí)將會(huì)失真，降低準(zhǔn)確度。根據(jù)測(cè)量的游隙值計(jì)算出保證最終兩溝道過(guò)盈量相互差的裝配用鋼球規(guī)值，測(cè)量時(shí)各測(cè)量點(diǎn)的游隙相互差應(yīng)足夠小，若過(guò)大則表明該套軸承套圈的變形太大，需對(duì)溝道進(jìn)行返修。

通過(guò)測(cè)量游隙和游隙尺寸關(guān)系的計(jì)算，選配出溝道的過(guò)盈量，裝配時(shí)首先裝過(guò)盈量大的溝道的鋼球。在裝球測(cè)量機(jī)上分別測(cè)量每個(gè)溝道的啟動(dòng)摩擦力矩(應(yīng)在旋轉(zhuǎn)磨合后進(jìn)行測(cè)量)并詳細(xì)記錄，若2個(gè)單溝道啟動(dòng)摩擦力矩的差值大，就應(yīng)增大啟動(dòng)摩擦力矩小的溝道的鋼球規(guī)值，使該溝道啟動(dòng)摩擦力矩盡量接近或大于另一溝道啟動(dòng)摩擦力矩。對(duì)滿裝兩溝道鋼球測(cè)得的裝配后啟動(dòng)摩擦力矩與該軸承的單溝啟動(dòng)摩擦力矩進(jìn)行比較，符合比例關(guān)系的產(chǎn)品合格，超過(guò)比例關(guān)系的產(chǎn)品不合格。

安裝密封條時(shí)，先用條板剪刀按外圈密封條長(zhǎng)度不小于密封槽外緣直徑計(jì)算的周長(zhǎng)、內(nèi)圈密封條長(zhǎng)度不小于密封外圈內(nèi)徑直徑計(jì)算的周長(zhǎng)剪斷，黏結(jié)成圈。安裝前在兩密封唇口之間涂上潤(rùn)滑脂，把密封條按入溝槽中，再用氣動(dòng)錘把密封條壓實(shí)，壓實(shí)順序是先壓實(shí)8個(gè)定位點(diǎn)，2個(gè)定位點(diǎn)之間從定位點(diǎn)兩邊向中間壓實(shí)，然后用小滾輪滾勻。

3 軸承的關(guān)鍵檢測(cè)技術(shù)

3.1 兩溝道中心距的測(cè)量

在變槳軸承中，保證成套軸承相互對(duì)應(yīng)的內(nèi)、外圈的兩溝道中心距盡可能一致，才能保證兩溝道同時(shí)承載，若差值過(guò)大則變成了雙排角接觸球軸承，承載能力將大幅下降。兩溝道中心距測(cè)量如圖2所示，利用杠桿原理，當(dāng)兩溝道中心距偏離規(guī)定的數(shù)值時(shí)，測(cè)量杠桿圍繞支點(diǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移，測(cè)量千分表表針隨之移動(dòng)，顯示出偏差數(shù)值。測(cè)量時(shí)將兩測(cè)量鋼球的中心距調(diào)整到與套圈溝道中心距一致，用外徑千分尺或測(cè)長(zhǎng)儀校核公差，校核完成后用兩測(cè)量球與兩溝道充分接觸，左右擺動(dòng)測(cè)出最大偏差值。

圖2 溝位置測(cè)量示意圖

對(duì)于采用精車方法加工出的雙溝道套圈，因?yàn)榇嬖跈C(jī)床重復(fù)定位精度的問(wèn)題，測(cè)量?jī)蓽系乐行木嘤葹橹匾挥袦y(cè)量準(zhǔn)確才能保證裝配的要求；對(duì)于雙溝道1次磨的精磨溝道方法，測(cè)量?jī)蓽系乐行木嘀饕菫榱吮ＷC車加工與磨加工的兩溝道中心距一致。磨加工的兩溝道中心距因?yàn)樯拜喰拚鞯脑驘o(wú)法調(diào)整，而車制溝道卻是每次加工都需要進(jìn)行調(diào)整，只有保證車加工與磨加工溝道時(shí)兩溝道中心距一致，才能避免出現(xiàn)偏差而造成磨加工線狀接觸磨削出現(xiàn)裂紋和修磨溝位置出現(xiàn)松套的現(xiàn)象。

3.2 輪廓度的測(cè)量

溝道的輪廓度是溝道接觸強(qiáng)度的保證。由于變槳軸承外形尺寸大且溝道為桃心形，無(wú)法采用簡(jiǎn)單的刮色法和臺(tái)式輪廓儀檢測(cè)。但不檢測(cè)溝道的輪廓度就不能確定數(shù)控立車溝道時(shí)程序差補(bǔ)和進(jìn)刀機(jī)絲杠的間隙對(duì)輪廓度的影響，也不能確定金剛滾輪使用到后期時(shí)加工中輪廓度的變化,因此，采用最新開(kāi)發(fā)的便攜式輪廓儀對(duì)套圈溝道進(jìn)行測(cè)量是比較理想的方法。

3.3 齒形的測(cè)量

套圈的齒輪由于尺寸較大，無(wú)法在儀器上測(cè)量，雖然齒輪的精度不是很高，但僅靠刀具和機(jī)床精度無(wú)法完全保證加工質(zhì)量。采用樣板對(duì)比法測(cè)量能夠基本滿足要求，方法是使用與齒輪相同參數(shù)的齒形樣板，采用對(duì)研的方法制出與齒形樣板接觸面達(dá)90%以上的測(cè)量樣板，用測(cè)量樣板檢查齒形，齒與測(cè)量樣板接觸面達(dá)75%以上。

3.4 熱處理的檢測(cè)

采用硬化層厚度檢測(cè)儀檢測(cè)溝道與齒的硬化層有效厚度。淬火通常會(huì)產(chǎn)生近表面細(xì)密晶粒變硬結(jié)構(gòu)層，該區(qū)域區(qū)別于未淬火的基體材料結(jié)構(gòu)，尤其在晶粒大小上有明顯區(qū)別。淬火的近表面層對(duì)超聲波是近乎透明的，而粗大晶粒的基體材料層會(huì)產(chǎn)生明顯的超聲背向散射，根據(jù)背向散射信號(hào)的幅值變化就可以判定硬化層和基體的界面變化。超聲脈沖首先到達(dá)材料表面，然后擴(kuò)展到硬化層和基體的界面，可以借助其經(jīng)過(guò)的時(shí)間評(píng)估硬化層的深度。

3.5 游隙和啟動(dòng)摩擦力矩的檢測(cè)

3.5.1 游隙的檢測(cè)

由于常規(guī)游隙測(cè)量方法的限制，不能反映軸承的過(guò)盈量，只能作為過(guò)盈量測(cè)量的輔助手段，故過(guò)盈量要靠啟動(dòng)摩擦力矩最后確定。盡管游隙測(cè)量是輔助手段，仍需較高的測(cè)量精度，使用千斤頂分別單獨(dú)作用進(jìn)行游隙測(cè)量的方法測(cè)量精度低。使用并聯(lián)的液壓千斤頂同時(shí)作用則能最大限度地消除人為因素，提高游隙測(cè)量精度，其測(cè)量方法是：將軸承水平放置在3個(gè)按120°分布的支柱上，支柱同時(shí)支在外圈或內(nèi)圈端面上，3個(gè)液壓千斤頂放在3個(gè)支柱對(duì)應(yīng)的套圈位置，千斤頂支撐頭與套圈端面輕微接觸，測(cè)量表架與測(cè)量表頭分別支在內(nèi)、外圈端面上，對(duì)測(cè)量表壓出測(cè)量范圍并確定基準(zhǔn)位，開(kāi)啟液壓進(jìn)油閥門(mén)，緩慢頂起軸承，使其脫離支柱，3塊測(cè)量表反映的數(shù)值的平均值即為軸承的游隙。

3.5.2 啟動(dòng)摩擦力矩的檢測(cè)

啟動(dòng)摩擦力矩是變槳軸承最重要的數(shù)據(jù)之一，通常用彈簧拉力器進(jìn)行測(cè)量，最成熟的測(cè)量方法是兩種獲得專利的檢測(cè)機(jī)，一種是通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)測(cè)量出啟動(dòng)摩擦力矩和旋轉(zhuǎn)精度，另一種是通過(guò)連桿帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)測(cè)量出啟動(dòng)摩擦力矩和旋轉(zhuǎn)精度。這兩種檢測(cè)機(jī)雖然實(shí)現(xiàn)的方式不同，但測(cè)試原理相同，都是利用扭矩傳感儀來(lái)測(cè)量帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)所需的扭矩，測(cè)出軸承的啟動(dòng)摩擦力矩，所配置的軟件都能實(shí)現(xiàn)在任何角度位置采集啟動(dòng)摩擦力矩的數(shù)據(jù)，同時(shí)還配有測(cè)量表和樣棒，可以同時(shí)測(cè)量齒跳動(dòng)和旋轉(zhuǎn)精度。測(cè)試時(shí)采用在不同旋轉(zhuǎn)角度停頓后再次啟動(dòng)的方法，一般測(cè)試均勻分布的6～12個(gè)位置點(diǎn)的啟動(dòng)摩擦力矩，其中最大的啟動(dòng)摩擦力矩為該套軸承的啟動(dòng)摩擦力矩。

齒輪旋轉(zhuǎn)式測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖3所示，優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)試不同型號(hào)的軸承時(shí)，軸承的直徑發(fā)生變化時(shí)無(wú)需找正。不足之處是每一種模數(shù)的齒輪要配一個(gè)相同模數(shù)的測(cè)量齒輪，還要根據(jù)齒輪的中心距調(diào)整測(cè)量軟件，確定力矩關(guān)系。

圖3 齒輪旋轉(zhuǎn)式力矩測(cè)量示意圖

連桿旋轉(zhuǎn)式測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖4所示，優(yōu)點(diǎn)是連桿長(zhǎng)度可自由伸縮，在軸承回轉(zhuǎn)中心與檢測(cè)機(jī)連桿回轉(zhuǎn)中心不同心時(shí)，連桿長(zhǎng)度可以自我微調(diào)，補(bǔ)償偏心對(duì)力矩的影響；在測(cè)試不同型號(hào)的軸承時(shí)，連桿長(zhǎng)度只需調(diào)整至與測(cè)量軸承旋轉(zhuǎn)半徑相同即可測(cè)量。不足之處是需要找正，以減少偏心對(duì)測(cè)量精度的影響。

圖4 連桿旋轉(zhuǎn)式力矩測(cè)量示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然兆瓦級(jí)風(fēng)電變槳軸承設(shè)計(jì)計(jì)算壽命能夠滿足20年的使用要求，但缺乏具體細(xì)化的技術(shù)要求，根據(jù)實(shí)際工況確定出了相關(guān)的技術(shù)要求，提出了相應(yīng)的工藝手段和測(cè)量方法，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。