風電偏航和變槳軸承的安裝與維護

趙雁，崔旋，戴天任，高聰穎,劉攀

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

風電作為清潔可再生能源，近些年來，在全世界范圍內(nèi)受到越來越廣泛的重視，發(fā)展步伐也越來越快[1]，對風電軸承的需求也日益增加。由于風力發(fā)電機使用環(huán)境惡劣，維修成本高，主機對風電軸承壽命提出了非常高的要求。風電軸承的性能與壽命不僅與軸承的加工精度有關，其安裝和日常維護也起到了至關重要的作用，正確安裝和合理維護是保證軸承的精度和性能、提高其使用壽命、使風電主機長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的有力保障。

1 風電偏航和變槳軸承的特點

偏航和變槳軸承為特大型轉(zhuǎn)盤軸承，與普通轉(zhuǎn)盤軸承一樣，由套圈、滾動體、密封件、保持架或隔離塊組成，其內(nèi)圈或外圈多數(shù)帶有傳動齒，通過與主機配套的小齒輪嚙合來傳遞扭矩。軸承的結(jié)構(gòu)多采用四點接觸球式，根據(jù)其工作場合的需求帶有安裝孔、潤滑油孔及吊裝孔，風力發(fā)電機的偏航系統(tǒng)多采用單排四點接觸球軸承，而變槳系統(tǒng)多采用雙排四點接觸球軸承。

偏航和變槳軸承承受不定風力所產(chǎn)生的沖擊載荷，具有間歇工作，傳遞扭矩較大，傳動比高的特點。因此，要求軸承游隙小或者為零游隙或小負游隙，以減小滾動面的微動磨損[2]。加工過程中需對滾道表面進行淬火處理，以提高滾道硬度，提高軸承的承載能力。另外，在套圈圓周分布有多個油孔對滾道進行潤滑。

偏航和變槳軸承要承受很大的傾覆力矩，且部分裸露在外，易受沙塵、水霧、冰凍等污染侵害[2]。因此，在軸承的上、下端面安裝密封條防止?jié)櫥男孤瑫r阻隔外界水分、灰塵等污染物的侵入。軸承外表面還需要進行防腐處理，一般方法是噴涂純鋅或純鋁，長期裸露在外的表面還應進行噴漆保護。

2 安裝

偏航和變槳軸承的安裝主要是通過連接螺栓將軸承的內(nèi)、外套圈固定在相對應的基座上。因此，安裝基座的結(jié)構(gòu)、尺寸及平行度等各項指標，以及螺栓的規(guī)格、連接方法是影響風電軸承可靠性和安全性的主要因素。由于軸承的尺寸大、重量重，若安裝不當極易造成套圈變形，因此，在安裝過程中對基座和螺栓有一定的技術要求。

2.1 基座的技術要求

偏航、變槳軸承的直徑遠大于其截面尺寸，其必須安裝在經(jīng)機加工的支承基座上，以保證對所傳遞的載荷具有足夠的剛度，保證載荷的均勻分布，從而避免運行時產(chǎn)生不利于軸承工作的變形。因此，支承基座采用帶凸緣的圓柱式或管筒式結(jié)構(gòu)(圖1)，其比帶加強筋的薄壁式更能保證硬度和受載的均勻性。支承基座表面的寬度應不小于軸承套圈的相應寬度，其厚度約不低于軸承回轉(zhuǎn)中心徑的1/30；基座表面的平面度不能大于規(guī)定值，否則可能會導致滾道變形，縮短軸承使用壽命；在最大載荷下，支承基座安裝表面傾斜度測量值在以第一個測點為起始點的180°扇形區(qū)域內(nèi)只能達到一次峰值(按順時針或逆時針緩慢測量傾斜度)。表1數(shù)據(jù)為國外某知名風電軸承制造企業(yè)對基座的技術要求[3]。我國風力發(fā)電機軸承行業(yè)標準JB/T 10705—2007雖并未對支承基座的厚度做出規(guī)定，但對支承配合面的平面度及傾斜度針對軸承各個精度等級做了更詳細的劃分，同時給出了端面粗糙度值，見表2[4](表中L=1個孔距)。如果安裝前檢測出支承基座不能滿足上述技術要求，則需對連接表面進行再加工，使基座達到技術要求，以防螺栓擰緊后支承變形，影響軸承的使用性能。

圖1 支承基座示意圖

表1 某企業(yè)對風電軸承基座的技術要求 mm

表2 支承零件連接表面的技術要求

2.2 安裝準備

軸承安裝前，先對支承基座的安裝面進行檢查，確保支承座結(jié)構(gòu)符合技術要求，同時檢查有無金屬屑、焊粒、銹蝕痕跡。軸承打開包裝后用吊裝螺栓擰在內(nèi)圈或外圈的吊裝孔內(nèi)，將軸承搬運到安裝位置，為了保證吊裝過程的平穩(wěn)性，嚴禁兩點吊裝。

2.3 定位

轉(zhuǎn)盤軸承滾道淬火后為了防止二次淬火，會在淬火的起點與終點留下一定長度的無淬火區(qū)，稱為淬火軟帶，其表面硬度較低，承載能力較差，因此安裝時需對軸承進行定位，使軟帶處于非載荷區(qū)或非經(jīng)常受荷區(qū)。定位步驟如下：

(1)確定軸承的主承載區(qū)域；

(2)將淬火軟帶設定在與主承載軸或承載臂成90°的位置上；

(3)若載荷主要為徑向，尤其是軸承垂直安裝時需將軸承強制對中；

(4)將軸承與連接底座貼靠緊密，使軸承孔與支承座的安裝孔一一對應。

2.4 連接件的選擇與緊固

2.4.1 連接件的選擇

軸承在安裝時一般通過螺栓固定在主機上，變槳軸承外圈與輪轂相連，內(nèi)圈與風機的葉片相連，偏航軸承無齒圈與塔架相連，有齒圈與座艙相連。因此，安裝時需采用高強度螺栓保證連接的緊固性，如質(zhì)量等級為8.8級、10.9級或12.9級的螺栓，國內(nèi)外采用10.9級的螺栓居多。連接件的選擇還有如下幾點要求：

(1)禁止采用通螺紋的螺栓；

(2)禁止采用使用過的螺栓和墊圈；

(3)螺紋長度應保證不小于5倍螺栓直徑；

(4)安裝螺栓時可選用調(diào)質(zhì)平墊圈，禁止使用彈簧墊圈。

2.4.2 緊固

軸承徑向定位后，在螺紋處注入少許潤滑油，采用“十字交叉擰緊法”安裝螺栓，使整個圓周上獲得均勻的緊固力。螺栓上的預緊力矩與螺栓強度等級、預緊方式和螺紋摩擦有關。JB/T 10705—2007給出了不同直徑螺栓預載荷的參考值[4]。國外風電軸承制造企業(yè)也采用“五角星型緊固法”或者 “十字交叉法”分三步以預緊力30%、80%和100%的比例擰緊螺栓，所規(guī)定的螺栓預載荷與JB/T 10705—2007提供的參考值相近，差值在±10%左右，主要由扳手的擰緊誤差造成。對M30 以上的螺紋規(guī)格國內(nèi)、外一致建議使用液壓預緊裝置進行緊固。

2.5 調(diào)整齒輪嚙合間隙

偏航、變槳軸承靠輪齒嚙合來傳遞扭矩，若嚙合間隙太小會產(chǎn)生反作用力，加速嚙合部位磨損，若嚙合間隙太大將導致振動，損壞齒面。因此，在安裝螺栓未完全擰緊之前，需用測隙規(guī)或塞規(guī)在軸承齒輪節(jié)圓徑向跳動最大點處調(diào)節(jié)與小齒輪嚙合的間隙，軸承齒輪節(jié)圓徑向跳動最大點一般在齒頂處刷綠色油漆加以標示。根據(jù)國外風力發(fā)電機的使用經(jīng)驗，將嚙合間隙調(diào)整為0.03～0.04倍的模數(shù)時較為適宜。德國IMO公司列出了常用模數(shù)的齒輪嚙合間隙，見表3[5]。

表3 嚙合間隙

2.6 軸承運轉(zhuǎn)測試

軸承安裝完成后，需對軸承進行初次運轉(zhuǎn)測試。先緩慢轉(zhuǎn)動軸承至少3圈，觀察軸承的運轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)，有無沖擊和卡滯；檢查整個圓周上的齒輪嚙合間隙值；檢查螺栓擰緊力矩。

2.7 磨損量測量

為了保證軸承運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，滾動體受力均勻，偏航和變槳軸承多設計為零游隙或者負游隙。設備運行一段時間之后，由于滾道磨損，軸承內(nèi)部會出現(xiàn)間隙，為了保證軸承良好的運行狀態(tài)和功能的正常發(fā)揮，每隔一段時間需要對其間隙進行檢查以確定軸承正常工作時的磨損量。因此，在軸承安裝完成后需對其進行測量，以初檢數(shù)據(jù)作為以后測量時的基準。

滾道磨損表現(xiàn)為軸承的軸向位置變動，可通過測量基座固定測點至軸承端面固定測點的距離來確定磨損量，如圖2所示。將安裝完成的首次測量值作為基準值，3個月以后進行第2次測量，以后磨損量的測量至少每隔12個月進行一次，并應保證與測得基準值相同的測量條件，測值與基準值之差即為軸承的磨損量。若磨損較快，應減小測量的時間間隔。若磨損量超出允許值則需立即更換軸承，表4、表5為國內(nèi)某軸承企業(yè)規(guī)定的軸承允許的最大磨損量。表6為德國IMO公司規(guī)定的軸承所允許的最大磨損量，表6中雖對單排球軸承與雙排球軸承在同一球徑下規(guī)定的最大磨損量相同，但所規(guī)定值明顯較國內(nèi)企業(yè)更為嚴格，在測量過程中該數(shù)據(jù)可作為判定軸承是否需要更換的指標或警戒點進行參考。

圖2 軸承磨損量測量示意圖

表4 單排四點接觸球軸承最大允許磨損量 mm

表5 雙排四點接觸球軸承最大允許磨損量 mm

表6 軸承最大允許磨損量 mm

3 軸承的日常維護

3.1 存放與保管

軸承存放與保管的關鍵是防銹，軸承出廠前其外表面均做有防銹的噴涂處理，然后采用塑料薄膜、牛皮紙、塑料編織帶纏繞包裝。出廠后的防銹期最長為12個月，如果包裝破損或超過防銹期仍需繼續(xù)存放，則應當重新清洗軸承并對軸承的齒面部分做油封處理。

軸承應在干燥通風而平坦的場地上水平放置，同時應遠離化學品及其他帶有腐蝕性的物品。如果需要多套軸承疊放在一起時，每套軸承之間沿圓周方向應至少放置3個分布均勻、高度相等的木質(zhì)墊塊，且上、下層墊塊的位置應放置一致。

3.2 潤滑

潤滑是風電類軸承穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時必不可少的一部分，它可使?jié)L動體和滾道之間產(chǎn)生良好的潤滑接觸，減少摩擦和發(fā)熱，同時阻隔外界水分、灰塵的侵入。由于脂潤滑具有潤滑裝置簡單、不易泄漏、抗腐蝕性好、維護方便等特點，在低速重載軸承中應用較為普遍。偏航和變槳軸承運轉(zhuǎn)速度較慢，同時承受較大的傾覆力矩，因此多采用脂潤滑。較常采用的潤滑脂有Mobil SHC 460WT，Molycote Longterm 2 Plus，Aeroshell Grease 14等，主機廠家可以根據(jù)各自風場的溫度、風機的功率、軸承所受載荷來選擇合適的潤滑脂。

3.2.1 注脂量及周期

偏航、變槳軸承在出廠前，滾道中已經(jīng)注入了適量的潤滑脂，首次注脂量應達到軸承內(nèi)部空腔體積的60%～70%。再次注脂量和注脂周期根據(jù)每個風場的環(huán)境、溫度、軸承的運行情況，以及所選潤滑脂牌號的不同而不同，針對我國目前的情況，注脂量可參考經(jīng)驗公式

式中：G為注脂量；Dpw為球組節(jié)圓直徑；Dw為球徑。

注脂周期方面，在軸承運行的前3個月采取多次定量注脂，如每周一次；運行3個月以后每隔3個月進行一次滾道潤滑，或者將計算出的注脂量根據(jù)各風場的情況在一年之內(nèi)平均分配進行潤滑；風機長期停用前和重新啟用時必須加注足夠的潤滑脂，若停用更長時間，則需每隔6個月潤滑一次。

3.2.2 潤滑方式

軸承潤滑分為手動潤滑和自動潤滑兩種。手動潤滑一般由風場的工作人員定期對軸承進行潤滑，易出現(xiàn)單次注脂量大，軸承內(nèi)部壓力過大而使?jié)櫥旈_密封圈的現(xiàn)象；同時，存在有單個油孔進行注脂的現(xiàn)象，這將大大降低潤滑脂的均勻性，導致潤滑不均，降低潤滑效果。因此，在軸承的維護中建議使用自動潤滑，通過軸承圓周均布的多個油孔同時注脂，保證滾道內(nèi)部潤滑脂分布的均勻性，另外，自動潤滑的注脂量經(jīng)過了計算和分配，不易出現(xiàn)過多注脂造成浪費和過少注脂量造成潤滑不暢的情況，有效保證了軸承的使用壽命。自動潤滑系統(tǒng)多配備有集油裝置，通過排油孔收集廢舊潤滑脂，因此在維護時還應及時清理或更換集油裝置。

3.3 安裝螺栓的檢查

為保證設備運轉(zhuǎn)的安全性，應經(jīng)常檢查螺栓的預緊情況，如果螺栓損壞將引起預緊力減少或圓周其他螺栓的受力不均，不可避免的導致軸承故障。由于偏航和變槳軸承表面帶有涂層，應在安裝完成一天后對螺栓進行再緊固，在軸承開始運轉(zhuǎn)的前3個月內(nèi)，應經(jīng)常檢查內(nèi)圈和外圈安裝螺栓的預緊力，以后至少每隔6個月進行一次檢查。使用時若出現(xiàn)噪聲、沖擊等異?，F(xiàn)象，應停機拆檢，更換松弛和松開的螺栓以及螺帽和墊圈，更換螺栓需使用相同的尺寸和質(zhì)量等級，同時按照首次安裝時的方法和順序擰緊螺栓。

3.4 密封性檢查

軸承運轉(zhuǎn)期間需要至少每6個月檢查一次密封，密封邊緣必須保持沒有污垢，密封條無過度拉伸或破損的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

偏航和變槳軸承因其使用場合的特殊性，加上其體積大，重量重，拆裝非常的困難，維修的費用非常高。因此，軸承的正確安裝以及科學、規(guī)律的日常維護就顯得尤為重要，按照正確的方法安裝加上合理的維護，不但可以提高軸承的使用壽命，更使風機可以長期穩(wěn)定地運行，降低其維護成本。