淺談主軸軸承技術(shù)在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

段博志?黃翀?楊明川

摘 要：分析比較了不同軸承在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈系統(tǒng)中的應(yīng)用，其中包括雙列球面滾子軸承、圓環(huán)滾子軸承，圓柱滾子軸承，雙列圓錐滾子軸承等，通過(guò)不同軸承的組合配置主軸軸承方案，針對(duì)不同的方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。考慮風(fēng)機(jī)工況的復(fù)雜性、機(jī)組的柔性化，本文介紹了柔性套圈、螺栓效應(yīng)、滾子邊緣應(yīng)力以及擋邊載荷等軸承先進(jìn)分析技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用能夠精確分析滾道載荷分布，進(jìn)而保證大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承設(shè)計(jì)的可靠性。

關(guān)鍵詞：主軸軸承；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；軸承配置；可靠性

一、引言

主軸軸承作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈的重要零件，其性能的可靠性不僅影響其自身維護(hù)成本，同時(shí)決定著傳動(dòng)鏈的可靠性。軸承是風(fēng)電機(jī)組中的薄弱部位是風(fēng)電機(jī)組的主要故障點(diǎn)之一[1-3]。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的柔性化、工況的復(fù)雜化，主軸軸承的設(shè)計(jì)已成為整機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，本文將從兩個(gè)方面對(duì)風(fēng)電軸承技術(shù)在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用進(jìn)行討論。

二、主軸軸承配置

方案一：雙列球面滾子（SRB+locating）+雙列球面滾子（SRB+Non-locating）

此方案又稱自調(diào)心軸承配置方案，采用兩個(gè)雙列球面滾子，一端固定、一端浮動(dòng)，這種軸承有一定的調(diào)心能力，能夠適應(yīng)系統(tǒng)變形以及裝配的不對(duì)中產(chǎn)生的誤差。同時(shí)軸承具備一定的成本優(yōu)勢(shì)，目前在2MW及2MW以下幾組中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于這種方案受浮動(dòng)的空間限制以及軸向力與徑向力的受載比值限制，在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)軸承的熱變形過(guò)大，軸向力過(guò)大時(shí)，軸承滾道內(nèi)的載荷也會(huì)增大，進(jìn)而導(dǎo)致載荷惡化，使得軸承過(guò)早失效。

方案二：雙列球面滾子（SRB+locating）+圓環(huán)滾子軸承（CARB+Non-Locating）

針對(duì)方案一所存在的問(wèn)題，SKF首先提出了方案二的配置，將方案一中浮動(dòng)端的雙列球面滾子軸承更改為圓環(huán)滾子軸承，這種軸承與球面滾子軸承一樣具有自動(dòng)調(diào)心的能力，同時(shí)與圓柱軸承一樣能夠補(bǔ)償軸承的熱膨脹引起的軸向變形，最大軸向位移可達(dá)到軸承寬度10%。但這種軸承的成本較高。

方案三：非對(duì)稱雙列球面滾子（SRB+locating）

同樣針對(duì)方案一，Schaeffler提出了非對(duì)稱雙列球面滾子軸承，此軸承的兩列接觸角不同，在承受軸向載荷的一列有比較大的接觸角，這種軸承的設(shè)計(jì)可以針對(duì)風(fēng)電特定的載荷進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，進(jìn)而改善軸向力與徑向力的受載比值限制，提升了軸承的軸向承載能力。然而這樣定制化的設(shè)計(jì)會(huì)增加軸承的設(shè)計(jì)、制造成本。

方案四：雙列圓錐滾子軸承（DRTB+locating）+圓柱滾子軸承（CRB+Non-Locating）

此方案與上述三種方案不同，由于對(duì)雙列圓錐滾子軸承進(jìn)行預(yù)緊，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)的剛性較大，降低軸向、徑向的系統(tǒng)變形，軸承的預(yù)緊可以改善軸承內(nèi)部的載荷分布、防止?jié)L動(dòng)體打滑、降低振動(dòng)導(dǎo)致滾動(dòng)體壓痕的風(fēng)險(xiǎn)，尤其對(duì)于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)而言，可以減小發(fā)電機(jī)氣隙的變化，提高系統(tǒng)的可靠性。但此方案對(duì)整機(jī)的制造、加工、裝配要求高。

方案五：雙列圓錐滾子軸承（DRTB+locating）+圓環(huán)滾子軸承（CARB +Non-Locating）

此方案集成了上述方案中的優(yōu)點(diǎn)，但成本比較高，目前并未在風(fēng)電行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。方案六：?jiǎn)瘟袌A錐滾子軸承（TRB）+單列圓錐滾子軸承（TRB）

此方案采用交叉定位，由于采用兩個(gè)單列圓錐滾子軸承相當(dāng)于減少了一個(gè)軸承，因此在成本上有一定的優(yōu)勢(shì)，此軸承配置方案可控性好，可以根據(jù)受載情況進(jìn)行尺寸的調(diào)整，但設(shè)計(jì)、制造、加工、裝配要求高。

方案七：雙列圓錐滾子軸承

此軸承專門為大兆瓦級(jí)風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，此軸承方案省去了主軸、進(jìn)而大幅降低傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度，同時(shí)軸承可承受較大彎矩載荷，進(jìn)而降低了傳動(dòng)鏈的徑向齒輪，通過(guò)上述的實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)鏈的超緊湊設(shè)計(jì)。目前此軸承方案為大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的主流配置方案。

三、主軸軸承技術(shù)應(yīng)用

在傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)主軸軸承配置中，供應(yīng)商通常采用ISO281與ISO/T16281進(jìn)行軸承的壽命計(jì)算，而對(duì)周邊結(jié)果進(jìn)行剛性處理。此解析算法的前提是系統(tǒng)應(yīng)有足夠的剛性，顯然隨著風(fēng)機(jī)越來(lái)越趨于大型化，整個(gè)機(jī)組結(jié)構(gòu)越來(lái)越柔性化。因此軸承的周邊結(jié)果對(duì)軸承壽命影響也越來(lái)越大。傳統(tǒng)的軸承分析技術(shù)已滿足不了軸承設(shè)計(jì)、應(yīng)用需求，目前先進(jìn)的分析技術(shù)通常采用全耦合一體化分析流程，此分析方案結(jié)合解析法高效性和有限元的精確性。在分析過(guò)程中不僅要考慮風(fēng)況復(fù)雜性與系統(tǒng)的變形對(duì)壽命的影響，同時(shí)還要考慮螺栓連接對(duì)滾道變形的影響。

主軸軸承技術(shù)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)包括軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、滾子滾道的修形。為得到合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與修形方案，應(yīng)該對(duì)載荷的輸入進(jìn)行精確的處理。目前市面上通用的風(fēng)電主軸軸承分析軟件有Romax、SMT，供應(yīng)商內(nèi)部分析軟件bearing-X（FAG）、 REBA（羅特艾德）等都可以考慮系統(tǒng)變形，進(jìn)而得到真實(shí)的載荷傳遞。

1.柔性套圈技術(shù)

套圈的柔性化是考慮系統(tǒng)變形的前提，柔性化的套圈可以真實(shí)的反應(yīng)滾道內(nèi)的載荷分布，套圈的橢圓變形與扭曲變形改變了滾道內(nèi)的載荷分布，進(jìn)而影響軸承的使用壽命。因此柔性套圈技術(shù)在風(fēng)機(jī)大軸承的設(shè)計(jì)中起到關(guān)鍵性的作用，為風(fēng)機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.軸承邊緣應(yīng)力分析技術(shù)

在極限載荷作用下，軸承會(huì)發(fā)生邊緣受載。當(dāng)邊緣受載嚴(yán)重時(shí)，軸承也會(huì)發(fā)生失效，因此一個(gè)有效的邊緣應(yīng)力分析技術(shù)能夠更好的預(yù)測(cè)邊緣應(yīng)力，為設(shè)計(jì)和評(píng)估滾子修形提供依據(jù)。更有效的提高軸承的可靠性。

3.擋邊的接觸分析技術(shù)

在以往的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承分析中很難去評(píng)估軸承的擋邊載荷，因?yàn)槔碚摰脑O(shè)計(jì)分析中擋邊僅僅承受較小的載荷，對(duì)于風(fēng)電主軸軸承而言，這部分的載荷會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的變形而惡化，因此擋邊接觸分析模型技術(shù)的發(fā)展能有效的評(píng)估軸承擋邊載荷情況，可采取不同的擋邊形狀設(shè)計(jì)的改善載荷分布，同時(shí)合理的設(shè)計(jì)擋邊的高度、厚度增強(qiáng)擋邊的強(qiáng)度。

四、結(jié)語(yǔ)

主軸軸承配置方案應(yīng)根據(jù)整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行工況、運(yùn)行環(huán)境、成本控制等方面進(jìn)行選取。每一個(gè)軸承配置方案應(yīng)全面的評(píng)估，充分考慮軸承的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)維。尤其是在前期的設(shè)計(jì)中需要充分的考慮系統(tǒng)的柔性對(duì)主軸軸承壽命的影響。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 俞黎萍. 風(fēng)電機(jī)組主軸承選型與設(shè)計(jì)分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012（1）.81.