兆瓦級風電機組主軸軸承選型及分析*

程林志，曹勝平，劉曉輝

(許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000)

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兆瓦級風電機組主軸軸承選型及分析*

程林志，曹勝平，劉曉輝

(許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000)

摘要：隨著風電產業(yè)的發(fā)展，市場上供應的風電機組的功率等級基本上是兆瓦級，而且功率呈現增長趨勢。介紹了兆瓦級風電機組3點支承和2點支承的主軸軸承設計，其中2點支承的主軸軸承方案包括7種結構形式，對各種結構形式進行了介紹，并對其優(yōu)缺點進行了分析，為兆瓦級風電機組主軸軸承設計選型提供了參考。

關鍵詞：兆瓦級風電機組；主軸軸承；集成設計

風電機組主軸軸承是風電機組的核心部件，由于其所使用的環(huán)境惡劣(腐蝕、風沙、潮濕和低溫)、受載情況復雜以及安裝維護不便，所以應對主軸軸承的設計和選型進行充分的分析和論證，確保其在20年壽命內能安全可靠地運行。沈德昌等指出，軸承是風電機組中的薄弱環(huán)節(jié)，也是風電機組的主要故障點之一[1]。很多實際經驗告訴我們，設計初期方案的確定和選型會對軸承的故障產生巨大的影響[2]。目前，用于兆瓦級風電機組的主軸軸承的形式主要有3點支承的軸承設計和2點支承的軸承設計[3]，其中3點支承的軸承方案主要是球面滾子軸承與2個圓柱滾子軸承的組合，而2點支承的軸承方案又分為球面滾子軸承與調心滾子軸承組合、球面滾子軸承與圓柱滾子軸承組合、雙列圓錐滾子軸承與圓柱滾子軸承組合、2個單列圓錐滾子軸承組合(又分長軸和短軸這2種設計方案)、面對面的雙列圓錐滾子單軸承以及集成設計。

13點支承的軸承方案

1.13點支承的軸承結構形式

3點支承的軸承結構一般為在風輪側設計為獨立軸承室，軸承室內安裝1個球面滾子軸承，主軸與齒輪箱采用脹緊套連接，2個圓柱滾子軸承安裝在齒輪箱內，而齒輪箱采用扭力臂進行支承，其結構如圖1所示。

圖1　3點支承的軸承結構

1.23點支承的軸承結構的優(yōu)缺點

這種軸承結構的優(yōu)點是軸承本身的設計和制造的難度小，可以承受齒輪箱所要求的較大偏轉角。其缺點如下：1)軸向游隙比較大，輪轂在軸向的定位較差；2)主軸承上沒有預緊力，加載后軸向位移相對較大，同時由于沒有預緊力，單個滾子可能存在不轉動的情況，從而導致滑動，這樣會產生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命；3)軸向力較大時，雙列的球面滾子軸承變?yōu)橹挥袉瘟惺茌d，使受載列的載荷大大增加；4)所有的載荷均通過齒輪箱，影響齒輪箱的壽命；5)軸的尺寸小，載荷對軸的影響大。

22點支承的軸承方案

2.1球面滾子軸承+調心滾子軸承

2.1.1結構形式

球面滾子軸承+調心滾子軸承的結構形式一般為主軸被2個軸承支承，靠近風輪側的主軸承為球面滾子軸承，而靠近齒輪箱側的主軸承為調心滾子軸承，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結構如圖2所示。

圖2　　　　2點支承(球面滾子軸承+調心滾子軸承)　　　的結構形式

2.1.2結構的優(yōu)缺點

這種軸承結構的優(yōu)點是沒有或較少的載荷作用在齒輪箱上，同時依靠扭力臂來承受較小的變形，并且裝配比較簡單。其缺點如下：1)軸向游隙比較大，輪轂在軸向的定位不好；2)主軸承上沒有預緊力，受載后軸向位移相對較大，同時由于沒有預緊力，單個滾子可能存在不轉動的情況，從而導致滑動，這樣會產生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命；3)軸的尺寸小，載荷對軸的影響大。

2.2球面滾子軸承+圓柱滾子軸承

2.2.1結構形式

球面滾子軸承+圓柱滾子軸承的結構形式一般為主軸被2個軸承支承，靠近風輪側的主軸承為球面滾子軸承，而靠近齒輪箱側的主軸承為圓柱滾子軸承，2個主軸軸承共用1個軸承室，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結構如圖3所示。

圖3　　　　2點支承(球面滾子軸承+圓柱滾子軸承)　　　的結構形式

2.2.2結構的優(yōu)缺點

這種軸承結構的優(yōu)點是沒有或較少的載荷作用在齒輪箱上，同時依靠扭力臂來承受較小的變形，并且裝配比較簡單。其缺點如下：1)軸向游隙比較大，輪轂在軸向的定位不好；2)主軸承上沒有預緊力，受載后軸向位移相對較大，同時由于沒有預緊力，單個滾子可能存在不轉動的情況，從而導致滑動，這樣會產生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命；3)主機架的尺寸大或由多個部件組成，導致主機架的成本較高和加工較困難；4)由于圓柱滾子軸承對內外圈的同軸度和相對偏斜較敏感，在設計或者裝配不良的情況下，球面滾子軸承的徑向游隙將導致圓柱滾子的損壞；5)由于軸和軸承的尺寸相對較小，因此軸系的整體剛度相對較低，載荷對軸的影響較大。

2.3雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承

2.3.1結構形式

雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承的結構形式一般為主軸被2個軸承支承，通?？拷L輪側的主軸承為雙列圓錐滾子軸承，而靠近齒輪箱側的主軸承為圓柱滾子軸承，2個主軸軸承共用1個軸承室，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結構如圖4所示。

圖4　　　　2點支承(雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承)　　　的結構形式

2.3.2結構的優(yōu)缺點

這種軸承結構的優(yōu)點主要有：1)沒有軸向游隙，軸向定位較好；2)可以通過增加軸承之間的距離來增加承載能力，軸承的可適用范圍較大；3)軸和軸承的直徑較小，成本較低；4)由于消除了軸向游間隙，軸系整體剛度相對較高，動態(tài)載荷對其影響較小。

這種軸承結構的缺點主要有：1)圓柱滾子軸承由于沒有預緊力，單個滾子可能存在不轉動的現象，從而導致滑動，這樣會產生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命，對于3 MW以上的機組所用的圓柱滾子軸承，滾子質量和慣性力大，圓柱滾子軸承由于沒有預緊力，可能會導致滾子打滑損壞，出現微點蝕的可能性較大；2)主機架的尺寸大，軸承室加工精度要求相對較高或由更多部件組成，主機架成本較高；3)裝配比較復雜；4)軸承座的同心度等幾何公差要求比較高。

2.42個小直徑的單列圓錐滾子軸承

2.4.1結構形式

2個小直徑的單列圓錐滾子軸承的結構形式一般為主軸被2個圓錐滾子軸承支承，2個主軸軸承共用1個軸承室[4]，主軸一般為直徑較小且長度較長的結構，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結構如圖5所示。

圖5　　　　2點支承(2個小直徑的單列圓錐滾子軸承)　　　的結構形式

2.4.2結構的優(yōu)缺點

這種軸承結構的優(yōu)點主要有：1)沒有軸向游隙，軸向定位較好；2)可以通過增加軸承之間的距離來增加承載能力，軸承的可適用范圍較大；3)軸承的直徑比單軸承的小，容易制造，成本低；4)由于主軸系的長度比較長，容易獲得較大的葉尖安全距離(葉尖與塔筒壁的距離)；5)由于2個軸承一般處于預緊狀態(tài)，因此軸系的整體剛度相對較大，在較大的動態(tài)載荷作用下，軸系的結構變形相對較小，能夠承受較大的動態(tài)載荷。

這種軸承結構的缺點主要有：1)主機架的尺寸大或由更多部件組成，主機架成本較高；2)裝配時需要將2個軸承調節(jié)至一定的預緊量，因此裝配比較復雜；3)2個軸承座的同心度要求比較高，加工成本較高；4)傳動鏈整體長度較長，機艙尺寸不緊湊。

2.52個大直徑的單列圓錐滾子軸承

2.5.1結構形式

2個大直徑的單列圓錐滾子軸承的結構形式一般為主軸被2個大直徑的圓錐滾子軸承支承，2個主軸軸承共用1個軸承室，主軸一般為直徑較大且長度較短的結構，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結構如圖6所示。

圖6　　　　2點支承(2個大直徑的單列圓錐滾子軸承)　　　的結構形式

2.5.2結構的優(yōu)缺點

這種軸承結構的優(yōu)點主要有：1)軸承一般處于預緊狀態(tài)，沒有軸向游隙，軸向定位較好，且預緊力比較容易施加；2)可以通過增加軸承之間的距離來增加承載能力，軸承的可適用范圍較大；3)軸承的直徑比單軸承的小，容易制造，成本相對單軸承低；4)安全裕度大，方便進行大葉片的開發(fā)；5)由于該種配置一般選用較小的滾子接觸角小，因此動軸和定軸之間的溫差、溫度變化以及裝配誤差等問題對軸系的預緊影響相對較小[5]，軸承壽命受環(huán)境和裝配誤差影響較?。?)軸的直徑比較大，而且2個軸承之間的間距比較小，所以軸系整體剛度比較大，結構變形較小。

這種軸承結構的缺點主要有：1)主機架的尺寸大或由更多部件組成，軸承室加工精度要求較高，主機架成本較高；2)軸承對溫度的變化比較敏感，但對于主軸軸承，由于轉速比較低，溫度變化比較小，所以影響也比較?。?)軸系裝配較復雜，裝配工時較長。

2.6單軸承

2.6.1結構形式

單軸承的結構形式一般為主軸被1個大直徑的圓錐滾子軸承支承，主軸一般為直徑大且比較短的結構，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結構如圖7所示。

圖7　2點支承(單軸承)的結構形式

2.6.2結構的優(yōu)缺點

這種軸承結構的優(yōu)點主要有：1)沒有軸向游隙，軸向定位較好；2)主軸的長度短，傳動鏈緊湊，機艙的長度能設計的比較短；3)軸承滾子及滾道直徑均較大，且軸長度較短，所以軸系整體剛度大，載荷引起的結構變形?。?)軸承在兩側都能進行潤滑，所以容易潤滑。

這種軸承結構的缺點主要有：1)隨著功率等級的增加，軸承的直徑會越來越大，例如6 MW容量等級的機組單軸承的軸承外徑達到3.6 m，很少有軸承廠家能夠加工制造，因此價格比較高；2)由于軸承直徑較大，因此軸承密封設計較困難，常規(guī)設計不能達到較好密封效果，軸承密封成本較高；3)軸承的滾子比較大，存在滑動的可能性，而滾子的滑動將影響軸承的壽命；4)滾子類似于圓柱，預緊力較小時會存在扭轉的情況，導致所有的載荷作用在1個轉子單元上，從而導致其損壞。

2.7集成設計

2.7.1結構形式

集成設計的結構形式為主軸被2個單列圓錐滾子軸承承撐，2個軸承共用1個軸承室，齒輪箱和主軸之間采用過盈配合或花鍵聯(lián)接，軸承室與齒輪箱的箱體通過螺栓聯(lián)接在一起，也就是說主軸系與齒輪箱集成在一起，其結構如圖8所示。

圖8　2點支承(集成設計)的結構形式

2.7.2結構的優(yōu)缺點

這種軸承結構的優(yōu)點主要有：1)軸系一般處于預緊狀態(tài)，因此無軸向游隙，軸向定位較好；2)主軸系與齒輪箱集成在一起，結構緊湊，機艙長度較短；3)主軸與齒輪箱采用配合定位，傳動鏈整體對中較好；4)扭矩以外的力通過軸承室直接傳遞至主機架，不經過齒輪箱，因此齒輪箱只承受純扭矩作用；5)因為齒輪箱與主軸系集成為一體，所以主軸承可采用油潤滑，降低主軸潤滑的污染情況，改善軸承的潤滑，對軸承的壽命有利。

這種軸承結構的缺點主要有：1)主機架與齒輪箱的聯(lián)接方式除了考慮載荷傳遞外，需要減振，降低齒輪箱振動的影響；2)由于主軸承和齒輪箱集成一體，因此主軸承維護性較差；3)軸承對溫度的變化比較敏感，但對于主軸軸承，由于轉速比較低，溫度變化比較小，所以影響也比較小。

3結語

上述詳細列舉了兆瓦級風電機組主軸承的幾種主要布置形式及軸承的選型配置，并分析了其優(yōu)缺點，為兆瓦級風電機組主軸軸承的設計選型提供了參考。

參考文獻

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[2] 方濤,黃維學.大型海上風電機組的運輸、安裝和維護的研究[J].風能產業(yè),2014(7):30-35.

[3] 俞黎萍,石亦平,劉瑞峰.風電機組主軸承選型與設計分析[J].重慶大學學報,2015(2):80-86.

[4] 王慧.大功率海上風電機組關鍵部位軸承選型與技術分析[J].風能產業(yè),2013(12):92-95.

[5] 朱亮,李言,楊明順,等.接觸角對風電軸承疲勞壽命德影響[J].機械科學與技術,2011,30(1):30-35.

責任編輯鄭練

Selection and Analysis on Main Bearing in MW Wind Turbine

CHENG Linzhi, CAO Shengping, LIU Xiaohui

(Xuchang XJ Wind Power Technology Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

Abstract：With the development of wind power industry, the power class of wind turbine is basically MW in the market, and the rating power has showed growth trend. It introduced the 3-point support main bearing design and 2-point support main bearing design in MW wind turbine. For 2-point support main bearing design, it had 7 kinds of structure and introduced them. The advantages and disadvantages were analyzed. It can be used to provide some references in main bearing design and selection of MW wind turbine.

Key words:MW wind turbine, main shaft bearing, integrated design

中圖分類號：TH 212；TH 213.3

文獻標志碼:A

收稿日期：2015-11-05

作者簡介：程林志(1977-)，男，工程師，主要從事風電機組總體設計等方面的研究。

* 國家電網科技項目(5292C0140090)