直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承設(shè)計(jì)質(zhì)量管理方法研究

薛鵬，李鑫泉，劉立峰

（中國(guó)航天萬源國(guó)際（集團(tuán)）有限公司，北京 100076）

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是通過主軸承直接連接風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，并利用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)來發(fā)電的。傳統(tǒng)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般只使用一個(gè)主軸承，其轉(zhuǎn)動(dòng)套圈與風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，不動(dòng)套圈與機(jī)艙固連，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承承受著風(fēng)力載荷、風(fēng)輪重量、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重量和風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)等同時(shí)作用的集中載荷，在主軸承設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮主軸承承受由徑向力、軸向力和傾覆力矩所構(gòu)成的復(fù)雜隨機(jī)交變載荷。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)和主軸承的外形較大，其中空結(jié)構(gòu)可以使操作人員很方便地進(jìn)入風(fēng)輪內(nèi)部工作。但是主軸承的外形大、制造難度大、價(jià)格昂貴并且一旦損壞在風(fēng)機(jī)上無法更換，需要將發(fā)電機(jī)和主軸承整體從風(fēng)機(jī)上拆卸下來更換，現(xiàn)場(chǎng)更換的成本很高，所以對(duì)主軸承的設(shè)計(jì)質(zhì)量管理要求很高。只有通過完善和落實(shí)主軸承設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、設(shè)計(jì)校核、試驗(yàn)驗(yàn)證和最終設(shè)計(jì)的全面設(shè)計(jì)管理，才能有效提升主軸承設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承設(shè)計(jì)

1.1 主軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連接發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與風(fēng)輪的主軸承承擔(dān)了輪轂和葉片重量產(chǎn)生的徑向力和傾覆力矩，同時(shí)承擔(dān)了風(fēng)力對(duì)風(fēng)輪作用產(chǎn)生的載荷，以及風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的載荷。主軸承設(shè)計(jì)主要是根據(jù)主軸承所受的載荷情況和壽命要求考慮主軸承的選型，目前直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主軸承主要有三列圓柱滾子軸承和兩列圓錐滾子軸承兩種形式。主軸承一般由滾子、內(nèi)套圈、外套圈、保持架、連接螺栓和密封圈等結(jié)構(gòu)件組成，設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：確定主軸承滾子直徑、數(shù)量與長(zhǎng)度，主軸承套圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，徑向和軸向游隙設(shè)計(jì)，緊固件選型、密封圈選型、潤(rùn)滑脂選型、注脂量參數(shù)等。

1.2 主軸承結(jié)構(gòu)件材料的選擇與技術(shù)要求

主軸承滾子和套圈材料的選擇與熱處理要充分考慮化學(xué)成分和熱處理后從機(jī)械性能應(yīng)滿足技術(shù)要求。保持架一般選用高強(qiáng)度銅合金材料的整體保持架，慎用分體保持架和鋼材料保持架。連接螺栓一般選擇10.9 級(jí)高強(qiáng)螺栓。密封圈要綜合考慮選擇壽命長(zhǎng)、耐磨性好、與潤(rùn)滑脂兼容性好的材料。

1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算校核

（1）主軸承套圈的靜態(tài)安全系數(shù)與疲勞壽命的計(jì)算和校核。主軸承套圈滾道的靜態(tài)安全系數(shù)與疲勞壽命，應(yīng)按照GL 認(rèn)證要求，主軸承滾道的靜態(tài)安全系數(shù)大于1.5；主軸承的疲勞壽命按ISO281 的計(jì)算方法，為135000h；按 ISO16281 計(jì)算的方法，為185000h。（2）套圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核與加載變形的計(jì)算。通過有限元分析計(jì)算，計(jì)算出加載情況下套圈環(huán)形滾道應(yīng)力分布和滾道表面變形量分布，確定滾道最大應(yīng)力和最大變形量，滾道所受最大應(yīng)力應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力。（3）安裝預(yù)緊后套圈變形量的計(jì)算與確認(rèn)。利用有限元分析軟件建立套圈施加螺栓預(yù)緊模型，套圈變形量的計(jì)算要考慮螺栓預(yù)緊對(duì)套圈變形量的影響，最終得到需要施加的螺栓預(yù)緊力。（4）保持架工作變形量的計(jì)算與確認(rèn)。由于主軸承是軸線水平安裝，主軸承保持架承受因主軸承旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力以及保持架和滾子的重力。保持架在實(shí)際工作時(shí)保持軸線水平，沿垂直于地面的平面旋轉(zhuǎn)，承受大部分滾子重力和旋轉(zhuǎn)離心力作用，因而產(chǎn)生循環(huán)交變的變形，因此保持架應(yīng)采用有足夠強(qiáng)度和剛性的整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持架邊框應(yīng)有足夠的厚度以保證壽命期內(nèi)對(duì)耐磨性的要求。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的修正與確認(rèn)

根據(jù)滾道靜態(tài)安全系數(shù)計(jì)算與疲勞壽命的校核的數(shù)據(jù)，可采取“窮極法”對(duì)滾動(dòng)體的直徑進(jìn)行逐漸增加、逐一計(jì)算，直至到滿足壽命要求，最終確定滾動(dòng)體直徑與基本長(zhǎng)度尺寸；根據(jù)套圈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核與加載變形的計(jì)算，確定各個(gè)套圈環(huán)形梁厚度與游隙，最終確定緊固件的預(yù)緊力。確定保持架外徑與外套圈內(nèi)徑的間隙值的一般原則是保持架在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大變形量應(yīng)在保持架外徑與外套圈內(nèi)徑間隙值的0.5～0.83 之間為宜。

通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承所受載荷的分析，運(yùn)用有限元分析計(jì)算軟件對(duì)主軸承的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性以及壽命進(jìn)行分析計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，從理論計(jì)算上保證主軸承20 年使用壽命的設(shè)計(jì)要求。

2 通過運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)質(zhì)量

由于目前的設(shè)計(jì)模型和一款軟件都無法完全模擬和準(zhǔn)確計(jì)算主軸承實(shí)際的運(yùn)行載荷情況，加之設(shè)計(jì)所限，如果一款新型號(hào)的主軸承在批產(chǎn)前沒有經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，即使通過了嚴(yán)格的設(shè)計(jì)計(jì)算，主軸承設(shè)計(jì)的質(zhì)量在目前的設(shè)計(jì)條件下還是難以保證的，主軸承使用的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)還是非常大的。鑒于主軸承的重要性和更換的巨大成本，在設(shè)計(jì)管理中必須增加在新型號(hào)主軸承批產(chǎn)前，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行模擬載荷的運(yùn)行試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行分析研究，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行再確認(rèn)和再驗(yàn)證的環(huán)節(jié)，才有可能保證批產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.1 載荷試驗(yàn)方案和試驗(yàn)參數(shù)選擇

（1）主軸承試驗(yàn)方案。由于作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與輪轂連接的主軸承在承受軸向力、徑向力和傾覆力距的同時(shí)，主軸承內(nèi)外圈還要進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸承使用時(shí)屬于垂直于地面安裝。為了更好的模擬實(shí)際工況，在試驗(yàn)臺(tái)上主軸承也采用垂直方式安裝，將主軸承內(nèi)套圈固定在試驗(yàn)臺(tái)上，外套圈安裝液壓力矩加載裝置和轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置?？紤]到實(shí)際載荷中傾覆力矩對(duì)主軸承的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向力和徑向力，為便于進(jìn)行試驗(yàn)，加載載荷主要考慮傾覆力矩和采用額定轉(zhuǎn)速，通過加載油缸對(duì)主軸承施加傾覆力矩，通過回轉(zhuǎn)液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)主軸承外環(huán)旋轉(zhuǎn)。（2）確定試驗(yàn)加載參數(shù)。運(yùn)行試驗(yàn)主要需確定如下參數(shù)：傾覆力矩、主軸承轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)周期和單位時(shí)間潤(rùn)滑脂注入量：選取試驗(yàn)參數(shù)時(shí)，綜合考慮主軸承所受載荷、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)周期：傾覆力矩可在主軸承載荷譜中按主軸承壽命20 年計(jì)算覆蓋99%生命周期的傾覆力矩載荷選??；主軸承轉(zhuǎn)速可按風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定轉(zhuǎn)速選取；試驗(yàn)周期可按主軸承載荷譜中此傾覆力矩載荷下運(yùn)行時(shí)間的四分之一選取，模擬主軸承運(yùn)行5 年；單位時(shí)間潤(rùn)滑脂注入量可先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，在試驗(yàn)中根據(jù)主軸承溫度調(diào)整注脂量，以保證主軸承運(yùn)行時(shí)的溫度不超過技術(shù)要求。

2.2 試驗(yàn)前對(duì)主軸承的檢查

檢查內(nèi)容：滾道硬度、滾道淬硬層厚度、滾動(dòng)體硬度、套圈調(diào)質(zhì)硬度、啟動(dòng)力矩、徑向游隙、軸向游隙、軸向跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)。

2.3 試驗(yàn)過程記錄

運(yùn)行過程嚴(yán)格按試驗(yàn)測(cè)試大綱進(jìn)行，由控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，記錄內(nèi)容包括：環(huán)境溫度、主軸承內(nèi)外套圈溫度、注脂量、液壓系統(tǒng)壓力、主軸承轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過程中如發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)及時(shí)報(bào)警，必要時(shí)停止試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，系統(tǒng)調(diào)試正常后方可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)完成后對(duì)主軸承的檢查

（1）主軸承整體檢查。檢查內(nèi)容：軸向跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)、徑向游隙、軸向游隙、啟動(dòng)力矩、主軸承密封情況。（2）主軸承拆解檢查。主軸承拆解后，從滾道中取出適量油脂檢查分析油脂成分，然后再將滾道、滾動(dòng)體、保持架和密封圈清洗干凈進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容：滾動(dòng)體外觀、滾道外觀、滾動(dòng)體與滾道接觸長(zhǎng)度、保持架外觀、密封圈外觀、潤(rùn)滑油脂雜質(zhì)。

2.5 載荷運(yùn)行試驗(yàn)常見情況和原因分析

（1）主軸承密封圈處有油脂溢出，一般原因?yàn)槊芊馊椈衫Σ粔蚧蛎芊馊υO(shè)計(jì)選型錯(cuò)誤，導(dǎo)致密封效果不好，以及油路設(shè)計(jì)不好，排油不暢，導(dǎo)致油脂無法全部從排油口排出。（2）套圈、滾子上有壓痕或剝落現(xiàn)象，一般原因?yàn)樯a(chǎn)過程中的運(yùn)輸、安裝時(shí)的磕碰、多余物進(jìn)入或設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、生產(chǎn)缺陷導(dǎo)致強(qiáng)度偏弱，運(yùn)行中損傷。（3）套圈擋邊上的線狀、點(diǎn)狀刻痕，經(jīng)磁粉探傷沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，一般為滾子撞擊造成或主軸承安裝時(shí)不正確的使用工具；經(jīng)磁粉探傷發(fā)現(xiàn)裂紋，一般為材料或熱處理缺陷導(dǎo)致。（4）保持架有局部高溫的痕跡，一般為試驗(yàn)前的主軸承低速磨合時(shí)間太短，或是主軸承初始油脂添加量偏少、油路設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致油脂流動(dòng)不暢，潤(rùn)滑效果不良等原因?qū)е?。?）滾子、滾道和保持架中如果發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋、材料剝落等情況，在排除材料和生產(chǎn)過程中的問題后，應(yīng)為設(shè)計(jì)質(zhì)量問題，需對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核復(fù)算。

3 結(jié)語

由于目前行業(yè)內(nèi)還沒有直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和公認(rèn)可靠的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，在設(shè)計(jì)流程管理中加入試驗(yàn)環(huán)節(jié)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)質(zhì)量就顯得非常重要，建議相關(guān)企業(yè)只要有條件就要開展相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證工作。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承檢查分析過程中主要參照GBT-4661 滾動(dòng)主軸承- 圓柱滾子，JB-T10471 滾動(dòng)主軸承-轉(zhuǎn)盤主軸承等標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)試驗(yàn)后主軸承的相關(guān)技術(shù)參數(shù)、密封情況、滾動(dòng)體、滾道、保持架、油脂等進(jìn)行的檢查并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析主軸承在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)行保障中可能存在的問題，可以有效的提高設(shè)計(jì)可靠性，并為最終決策是否采用新型號(hào)主軸承提供試驗(yàn)依據(jù)。