大功率風(fēng)電偏航四點(diǎn)接觸球軸承保持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

尚艷濤，王朋偉，王力寧，劉好潔

（1. 洛陽(yáng) LYC 軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039; 2. 航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3. 河南省軸承技術(shù)創(chuàng)新中心，河南 洛陽(yáng) 471039）

0 引言

風(fēng)能是一種清潔無(wú)公害的可再生資源。近幾年國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用異常迅猛，數(shù)據(jù)顯示，2020 年中國(guó)新增風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量 71.67 GW，其中陸上新增并網(wǎng)裝機(jī)容量 68.61 GW，海上新增并網(wǎng)裝機(jī)容量 3.06 GW[1]。隨著風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，大功率風(fēng)電機(jī)組成為未來(lái)風(fēng)電科技發(fā)展的重要方向。偏航軸承作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)迎風(fēng)捕獲能量的重要支撐部件，安裝于風(fēng)機(jī)機(jī)艙底部，是風(fēng)電偏航系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。它不僅要適應(yīng)高溫、低溫、強(qiáng)紫外線、潮濕等復(fù)雜環(huán)境，而且還要承受軸向力、徑向力以及傾覆力矩等聯(lián)合載荷作用，同時(shí)還需滿足高可靠性和二十五年長(zhǎng)壽命要求，這對(duì)偏航軸承的設(shè)計(jì)、制造及維護(hù)提出了挑戰(zhàn)[2-6]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航軸承多選用四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承。偏航軸承作為塔架和機(jī)艙的連接部件，它的可靠性將直接影響整個(gè)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性及壽命。偏航軸承一旦發(fā)生失效，整個(gè)風(fēng)機(jī)將停止運(yùn)行，且更換和維修需要專用設(shè)備，維修更換成本昂貴。考慮風(fēng)機(jī)軸承可靠性時(shí)，人們往往重點(diǎn)關(guān)注軸承的生產(chǎn)制造、安裝及后期使用維護(hù)[7-9]。在產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)階段，應(yīng)消除產(chǎn)品潛在風(fēng)險(xiǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，避免故障發(fā)生，以提高產(chǎn)品固有可靠性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性是提高產(chǎn)品固有可靠性要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文針對(duì)風(fēng)機(jī)偏航軸承用四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承保持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)展分析研究，以期通過(guò)對(duì)偏航軸承保持器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，有效提高偏航軸承的可靠性。

1 偏航軸承保持器結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中偏航系統(tǒng)也稱偏航對(duì)風(fēng)裝置，是風(fēng)機(jī)獨(dú)有的伺服系統(tǒng)，也是風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，它的功能主要有兩個(gè)，一是控制風(fēng)機(jī)葉輪跟蹤風(fēng)向變化，二是當(dāng)風(fēng)機(jī)因偏航作用致使電纜纏繞時(shí)，自動(dòng)解除纏繞電纜，而偏航軸承則是偏航整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。偏航軸承在工作中同時(shí)承受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩等載荷聯(lián)合作用，它是集旋轉(zhuǎn)、支承、傳動(dòng)和固定等多功能于一體的特殊結(jié)構(gòu)大型軸承[10]。偏航軸承的保持器又稱隔離塊，它是偏航軸承的核心部件，它將滾動(dòng)體均勻地相互隔開(kāi)，使每個(gè)滾動(dòng)體在內(nèi)滾道和外滾道之間正常地滾動(dòng)。偏航軸承保持器材料通常采用尼龍，其常用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 隔離塊結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1 可知，隔離塊兩側(cè)是球窩狀，球窩曲面是弧形曲面，球窩曲率半徑一般為鋼球直徑的0.54 倍。球窩曲面的中心為O’，鋼球的中心為O，兩者在鋼球中心線上。軸承裝配后，隔離塊將鋼球均勻隔離，隔離塊球窩曲面和鋼球接觸，保證鋼球在滾道內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在偏航軸承工作時(shí)，鋼球表面與隔離塊在其球窩曲面上形成面接觸狀態(tài)。從保持器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可知，該結(jié)構(gòu)保持器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、便于制造，生產(chǎn)成本相對(duì)較低。

2 偏航軸承保持器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造朝向大功率發(fā)展，大功率風(fēng)電機(jī)組整機(jī)設(shè)計(jì)壽命一般不少于二十五年，這就對(duì)偏航軸承的工作可靠性提出了更高的要求。由于軸承在工作過(guò)程中，鋼球與保持器之間的接觸位置一般是固定的，鋼球與隔離塊相互作用，使得球窩曲面和鋼球接觸面增大，兩者之間摩擦變大，會(huì)潛在提高偏航軸承啟動(dòng)摩擦力矩。在偏航軸承隔離塊常用設(shè)計(jì)中不存在環(huán)向儲(chǔ)油槽，在運(yùn)行過(guò)程中軸承存在缺油的潛在風(fēng)險(xiǎn)，造成保持器與鋼球接觸處摩擦增大，從而影響了軸承的工作壽命。且原隔離塊結(jié)構(gòu)因不存在儲(chǔ)油槽，在使用過(guò)程中不利于潤(rùn)滑脂的儲(chǔ)存，潤(rùn)滑脂不能長(zhǎng)時(shí)間存在鋼球與隔離塊球窩之間，易造成潤(rùn)滑不足。在大功率風(fēng)機(jī)上，隨著軸承葉輪直徑增大，偏航軸承受力較大，常規(guī)結(jié)構(gòu)軸承隔離塊在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)潤(rùn)滑不佳，引起一系列的潛在風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，甚至可能引起偏航軸承早期失效。

針對(duì)大功率風(fēng)機(jī)偏航軸承中保持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，本文提出了對(duì)隔離塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如下圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后隔離塊結(jié)構(gòu)示意圖

（1）優(yōu)化球窩形狀

通過(guò)改變隔離塊球窩曲面曲率中心的位置，來(lái)改善鋼球與球窩之間的接觸狀態(tài)。

隔離塊球窩曲面由曲率半徑為Rc的圓弧線構(gòu)成，隔離塊球窩圓弧線的圓心位于隔離塊球窩圓弧線與鋼球的接觸點(diǎn)至鋼球圓心連線的延長(zhǎng)線上，使鋼球和隔離塊接觸狀態(tài)變?yōu)辄c(diǎn)接觸。

（2）球窩內(nèi)增加環(huán)形儲(chǔ)油槽

在軸承工作過(guò)程中，為減少鋼球與隔離塊之間的接觸摩擦，增加兩者之間的潤(rùn)滑，在隔離塊球窩內(nèi)增加上下兩層非連續(xù)式環(huán)形儲(chǔ)油槽，儲(chǔ)油槽內(nèi)的潤(rùn)滑脂可改善鋼球與隔離塊之間的接觸摩擦狀態(tài)。環(huán)形儲(chǔ)油槽設(shè)計(jì)位置分布示意圖如圖3所示。

圖3 環(huán)形儲(chǔ)油槽位置分布示意圖

改進(jìn)后隔離塊結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過(guò)改變鋼球和保持器摩擦接觸狀態(tài)，有效降低鋼球和球窩工作中的接觸摩擦，降低偏航軸承啟動(dòng)摩擦力矩，使運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)；

（2）有效提高偏航軸承設(shè)計(jì)可靠性，使偏航軸承固有可靠性得到提高；

（3）增加環(huán)形儲(chǔ)油槽，便于油脂儲(chǔ)存，有效降低風(fēng)機(jī)運(yùn)維成本，節(jié)約大量人力、物力和財(cái)力；

（4）為大功率風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)，可以使風(fēng)機(jī)持續(xù)無(wú)憂運(yùn)行，增加經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)踐應(yīng)用表明，偏航軸承隔離塊結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，可提高軸承設(shè)計(jì)可靠性，排除風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中潛在不安全因素。

3 改進(jìn)后隔離塊參數(shù)化設(shè)計(jì)

符號(hào)說(shuō)明

α——鋼球與隔離塊接觸角，（°）

Dw——鋼球直徑，mm

Dc——隔離塊外徑，mm

Dc’——球窩開(kāi)口處直徑，mm

dc——隔離塊內(nèi)徑，mm

Rc——球窩曲率半徑，mm

X1——球窩曲率半徑中心到中心線距離，mm

a、b——內(nèi)、外層相鄰油槽之間的距離，mm

h、s——環(huán)形油槽寬度和深度，mm

Z——鋼球個(gè)數(shù)

α值的確定，主要是控制鋼球和隔離塊的接觸位置，由于球窩內(nèi)上下兩層環(huán)形儲(chǔ)油槽的存在，鋼球和隔離塊的接觸位置應(yīng)在上下兩層儲(chǔ)油槽的中部，一般α取 35°。

隔離塊內(nèi)徑：dc= 0.15Dw

隔離塊外徑：Dc= 0.9Dw

球窩曲率半徑：Rc= 0.525Dw

球窩開(kāi)口處直徑：Dc' =（0.8~0.9）Dw

球窩曲面曲率半徑中心的位置在鋼球和隔離塊的接觸點(diǎn)與鋼球中心連線的延長(zhǎng)線上，球窩曲率半徑中心到中心線距離

儲(chǔ)油槽尺寸：儲(chǔ)油槽為上下兩層非連續(xù)式布置，通常每層有 8 個(gè)油槽沿圓周均布，由于內(nèi)層空間位置較小，內(nèi)層相鄰油槽之間的距離

外層相鄰油槽之間的距離b可適當(dāng)增大。環(huán)形油槽寬度h通常取 3~5 mm，深度s根據(jù)工藝可適當(dāng)比h大。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)偏航軸承隔離塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，有效降低隔離塊和鋼球的接觸摩擦，提高了軸承工作的可靠性，降低了風(fēng)機(jī)軸承失效概率。根據(jù)優(yōu)化后隔離塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了部分參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)同類型產(chǎn)品隔離塊的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。