風(fēng)機(jī)主軸軸承及選配
2012-06-05風(fēng)力發(fā)電機(jī)有多種不同的設(shè)計(jì)型式——水平軸或豎直軸、轉(zhuǎn)子逆風(fēng)或順風(fēng)、帶齒輪箱或不帶齒輪箱。
傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)鏈通常由主軸、齒輪箱(增速箱)和發(fā)電機(jī)組成。每一個(gè)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中都至少要用到5個(gè)大型滾動(dòng)軸承，包括主軸軸承、偏航變槳軸承以及增速箱軸承。根據(jù)不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和使用要求，大型軸承的結(jié)構(gòu)形狀也會(huì)有所不同。下表列出了軸承在風(fēng)電機(jī)組不同部件中的具體應(yīng)用：
1.1兩點(diǎn)支撐
此種設(shè)計(jì)為固定端/浮動(dòng)端軸承支撐的兩點(diǎn)支撐形式是Z典型的。軸承被安裝在兩個(gè)獨(dú)立的或一個(gè)共同的軸承座內(nèi)，轉(zhuǎn)子端或齒輪箱端軸承都可以設(shè)計(jì)為固定端軸承。種形式提供了徑向力和軸向力之間更為適合的比例，而且主軸的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致固定端軸承的解決方案直徑較大。采用第二種形式時(shí)，傳遞軸向載荷的軸肩的位置在主軸應(yīng)力方面表現(xiàn)得更為有利，因?yàn)樗苊饬饲拜S承位置的臺(tái)階。只有轉(zhuǎn)矩進(jìn)入齒輪箱，在一定程度上保護(hù)了齒輪箱，但價(jià)格較貴（多一個(gè)軸承和軸承座，主軸也較長(zhǎng)）。
1.2三點(diǎn)支撐——帶軸承座的單獨(dú)的固定端軸承
采用三點(diǎn)支撐，一點(diǎn)是固定端軸承而另外兩點(diǎn)是齒輪箱內(nèi)的轉(zhuǎn)矩支撐軸承。在此，齒輪箱輸入軸軸承作為浮動(dòng)端軸承。固定端軸承相對(duì)于齒輪箱輸入軸的浮動(dòng)端軸承的同軸度以及軸的偏移量，是選擇軸承類型時(shí)的決定因素。固定端軸承采用單獨(dú)的軸承座，推薦使用自調(diào)心軸承（例如調(diào)心滾子軸承）。另外重要的一點(diǎn)是，要在安裝時(shí)確保固定端軸承位置和浮動(dòng)端軸承位置之間的正確的距離。軸向力一定要作用在固定端軸承上。采用三點(diǎn)支撐，作用在浮動(dòng)端軸承上的力顯示了載荷對(duì)齒輪箱內(nèi)部的影響。兩點(diǎn)支撐的主軸承布置中承受這個(gè)載荷的是那個(gè)真正的浮動(dòng)端軸承。因此，兩點(diǎn)支撐顯示出了它對(duì)振動(dòng)等其他因素影響具有的優(yōu)勢(shì)。
1.3一點(diǎn)式——整合在齒輪箱內(nèi)的固定端軸承
有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主軸軸承是直接整合在齒輪箱內(nèi)的。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之一是：由于固定端軸承和浮動(dòng)端軸承使用同一個(gè)箱體，使得保持它們的同軸度更為容易。因此，在這種情況下，使用一個(gè)雙列圓錐滾子軸承作為主軸軸承也是可能的。而且，齒輪箱油也可以用來(lái)潤(rùn)滑主軸軸承。在任何情況下，為了使主軸軸承得到必須的支撐，軸承座和機(jī)體間可靠的連接是必須要保證的。
使用單個(gè)軸承來(lái)承受徑向載荷、軸向載荷以及力矩載荷需要軸承制造商和風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商共同的全面專業(yè)的技術(shù)水平。Z初使用單個(gè)軸承的風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用來(lái)自回轉(zhuǎn)支承領(lǐng)域的多列圓柱滾子軸承，這些風(fēng)電設(shè)備的輸出功率不超過(guò)2MW。因?yàn)轱L(fēng)能領(lǐng)域的軸承支撐設(shè)計(jì)的工作壽命是20年，所以在此強(qiáng)烈推薦使用保持架。周圍結(jié)構(gòu)零部件的尺寸和形狀必須在計(jì)算中加以考慮，Z好是通過(guò)有限元分析方法。用這種方法，考慮到了零部件的變形和存在于軸承內(nèi)部的載荷分布。我們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)是達(dá)到軸承在使用時(shí)盡可能小的內(nèi)部游隙，這樣滾動(dòng)零部件間的相對(duì)移動(dòng)就會(huì)達(dá)到Z小。
當(dāng)使用主軸軸承支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，幾乎所有的結(jié)構(gòu)都毫無(wú)例外地使用了調(diào)心滾子軸承。事實(shí)上，采用單獨(dú)軸承座的結(jié)構(gòu)，由于對(duì)圓錐滾子軸承或圓柱滾子軸承來(lái)說(shuō)，軸承位置處軸的角位移太大了，所以采用調(diào)心滾子軸承是必須的。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用中，徑向力和軸向力的比值對(duì)采用調(diào)心滾子軸承相對(duì)來(lái)說(shuō)是不利的，因此選擇Z適合的軸承系列非常必要。尤其對(duì)調(diào)心滾子軸承來(lái)說(shuō)，保證充分的潤(rùn)滑——合適的潤(rùn)滑劑、足夠的潤(rùn)滑量和再潤(rùn)滑，也是很重要的。在使用寬系列的軸承時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)主軸的角度偏斜會(huì)導(dǎo)致摩擦腐蝕，必須采用緊的配合，這一點(diǎn)也是非常重要的。浮動(dòng)軸承必須補(bǔ)償它相對(duì)于固定軸承位置的距離變化（例如由于熱膨脹產(chǎn)生的）。圓柱滾子軸承由于在軸承內(nèi)部能夠補(bǔ)償這種變化，所以它們是理想的浮動(dòng)軸承。其他類型的軸承采用滑動(dòng)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這里是外圈滑動(dòng)。如果在此采用調(diào)心滾子軸承，經(jīng)常可以選用具有較低額定載荷的軸承，在這種情況下，軸承外圈的滑動(dòng)通常是不會(huì)發(fā)生的。只要固定軸承具有Z小的軸向游隙，浮動(dòng)軸承內(nèi)部的游隙一般是足夠的。
單個(gè)軸承的解決方案在大約3MW級(jí)以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中出現(xiàn)的越來(lái)越多。整合概念的運(yùn)行時(shí)間Z長(zhǎng)的3MW風(fēng)電設(shè)備裝有位置非常接近齒輪箱的、承受所有來(lái)自轉(zhuǎn)子的載荷的主軸承。還有其他的3～5MW的設(shè)備也采用這種軸承配置。把傳統(tǒng)主軸軸承概念應(yīng)用到多兆瓦級(jí)的風(fēng)電設(shè)備中通常也是可行的，例如采用兩個(gè)主軸軸承——兩個(gè)調(diào)心滾子軸承。另外一種配置結(jié)構(gòu)是采用一個(gè)預(yù)設(shè)過(guò)游隙并帶有能使安裝簡(jiǎn)化的特殊結(jié)構(gòu)的雙列圓錐軸承。浮動(dòng)端包含一個(gè)設(shè)計(jì)有避免應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)的圓柱滾子軸承。作為一種規(guī)律，那些在小型風(fēng)電設(shè)備方面有很好經(jīng)驗(yàn)的公司在新的大型風(fēng)電設(shè)備上也采用與小型風(fēng)電設(shè)備相同的基本布置，這一點(diǎn)對(duì)那些使用輪轂軸承支撐原理的風(fēng)電設(shè)備制造商也是適用的。
二、市場(chǎng)及供應(yīng)
風(fēng)電機(jī)組中偏航軸承和變槳軸承的技術(shù)門檻相對(duì)較低，而主軸軸承和增速器軸承的技術(shù)含量較高，發(fā)電機(jī)軸承基本上為成熟的通用產(chǎn)品。因此，目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電軸承企業(yè)的產(chǎn)能主要集中在偏航軸承和變槳軸承上，3MW以下風(fēng)電機(jī)組配套軸承均可批量生產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)風(fēng)電軸承逐漸形成了規(guī)模化、系列化生產(chǎn)，主要企業(yè)有瓦軸、天馬、洛軸、徐州羅特艾德以及大冶軸、軸研科技、方圓支承、上海聯(lián)合和西北軸等，國(guó)產(chǎn)替代率已達(dá)到80%以上，年產(chǎn)能已達(dá)4.5萬(wàn)套以上，不僅滿足了國(guó)內(nèi)的需求，而且也成為國(guó)外一些風(fēng)電設(shè)備廠家的采購(gòu)渠道；但對(duì)主軸軸承和增速器軸承，基本還是依靠進(jìn)口，只有部分企業(yè)初步介入，尚處于研制階段。
上著名風(fēng)電軸承公司主要有德國(guó)RotheErde(羅特艾德)、法國(guó)Rollix(勞力氏)、瑞典SKF、德國(guó)Schaeffer(舍弗勒)、美國(guó)Timken和日本NSK等，在全球市場(chǎng)占據(jù)統(tǒng)治地位。SKF、Schaeffer和Timken等還與國(guó)內(nèi)風(fēng)電主機(jī)企業(yè)簽訂了戰(zhàn)略聯(lián)盟關(guān)系，全面供應(yīng)配套風(fēng)電軸承。
風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的主要軸承供應(yīng)商正在世界的不同地區(qū)提高它們的生產(chǎn)能力，主要是跟隨風(fēng)電機(jī)組制造商及其部件的供應(yīng)商轉(zhuǎn)到了中國(guó)和印度。對(duì)于軸承供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，如同其他任何風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的部件一樣，主要問(wèn)題在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組制造商對(duì)技術(shù)數(shù)據(jù)要求的變化和對(duì)具體型號(hào)的要求。下表列出的是根據(jù)制造商的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)而劃分為三種類別的主要制造商。
在前面上表中列出的18個(gè)供應(yīng)商中，只有5家公司（兩年前是3家公司）能夠提供目前風(fēng)電機(jī)組所需的全部軸承，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，只有30%—40%的供應(yīng)商能夠提供發(fā)電機(jī)、齒輪箱和風(fēng)輪軸的大號(hào)軸承。這個(gè)幫助解釋了齒輪箱和主軸軸承的供應(yīng)局限已經(jīng)成為整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)里的一個(gè)發(fā)展瓶徑。這個(gè)瓶頸是否被打破將主要影響到風(fēng)電發(fā)展的速度。然而，隨著風(fēng)電機(jī)組尺寸的增加和同時(shí)對(duì)軸承質(zhì)量要求變得更加嚴(yán)格，軸承短缺的形勢(shì)不可能在今后的兩年里或者甚至更長(zhǎng)的時(shí)間里得到解決。
三、主軸軸承選配
由于風(fēng)場(chǎng)一般都在偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸和吊裝都十分困難，一旦發(fā)生早期故障，維修費(fèi)用十分昂貴。疲勞破壞是滾動(dòng)軸承典型的失效形式。對(duì)于要求20年使用壽命和高可靠性的風(fēng)電軸承來(lái)說(shuō)，必須應(yīng)用抗疲勞制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，使其具備很高的疲勞壽命。
目前，風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)理念在于由主軸軸承盡可能地吸收來(lái)自作用于風(fēng)電機(jī)組上的大部分載荷，包括徑向力、軸向力和彎矩等。通過(guò)主軸軸承吸收大部分對(duì)后續(xù)齒輪箱和發(fā)電機(jī)不利的載荷后，只將有利的轉(zhuǎn)矩傳遞給風(fēng)電機(jī)組的高速端。因此，對(duì)主軸軸承的使用壽命提出了較高的要求。風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)在選擇風(fēng)電軸承供貨廠家時(shí)，不僅要按常規(guī)考察供貨廠家的經(jīng)濟(jì)規(guī)模、管理水平、質(zhì)量保證能力和產(chǎn)品性價(jià)比，更要考察其在風(fēng)電軸承生產(chǎn)中抗疲勞制造技術(shù)研究和應(yīng)用的情況。不同廠家生產(chǎn)的同一型號(hào)的風(fēng)電軸承，從外表上看幾乎一模一樣，但內(nèi)在質(zhì)量、壽命和可靠性有時(shí)卻相差甚遠(yuǎn)。
國(guó)家發(fā)改委于2007年首次發(fā)布了風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)軸承的結(jié)構(gòu)型式與外形尺寸做出了規(guī)定，風(fēng)電企業(yè)可據(jù)此選配主軸軸承。
在此簡(jiǎn)列傳動(dòng)系統(tǒng)軸承的技術(shù)要求：
滾動(dòng)體、軸承套圈采用主軸軸承的套圈和滾子采用電渣重熔冶煉的高碳鉻軸承鋼ZGCrl5或ZGCrl5SiMn制造，其熱處理質(zhì)量應(yīng)符合ZJBJ11038-1993《軍用高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理質(zhì)量要求》，也可采用性能相當(dāng)或更優(yōu)的其他材料；
尺寸公差和旋轉(zhuǎn)精度應(yīng)符合GB-T 307.1-2005《滾動(dòng)軸承向心軸承公差》和GB T 307.4-2002《滾動(dòng)軸承推力軸承公差》的規(guī)定；
配合表面和端面的表面粗糙度按GB T 307.3-2005《滾動(dòng)軸承通用技術(shù)規(guī)則》的規(guī)定；
游隙應(yīng)符合GB/T 4604-2006《滾動(dòng)軸承徑向游隙》的規(guī)定；
其他要求：軸承零件不應(yīng)有白點(diǎn)、夾雜，零件表面不應(yīng)有裂紋、銹蝕、燒傷、磕碰和軟點(diǎn)等缺陷，其他特殊要求，可由制造商與用戶協(xié)商確定。
滾動(dòng)軸承選配的主要任務(wù)是將內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體進(jìn)行尺寸分選，通過(guò)選配以保證裝配后具有滿足要求的徑向游隙或?qū)挾取L動(dòng)軸承裝配過(guò)程中的一個(gè)主要工序是選配合套工序，首先要將套圈滾道直徑尺寸選別分組，然后將各種組別的內(nèi)圈、外圈及滾動(dòng)體按軸承要求的游隙或?qū)挾裙钆浜掀饋?lái)成為“一套”軸承。
在軸承套圈的加工過(guò)程中，由于種種原因，會(huì)使?jié)L道尺寸過(guò)于分散或公差帶中心偏移，甚至于會(huì)超出公差帶的范圍，這些問(wèn)題都會(huì)降低配套率。為此，在配套前，應(yīng)對(duì)庫(kù)存軸承套圈進(jìn)行初選，掌握其滾道尺寸的情況，并根據(jù)滾動(dòng)體的尺寸情況，及時(shí)向磨工作業(yè)區(qū)提出配套零件內(nèi)圈或外圈)加工公差的訂制單。磨工作業(yè)區(qū)在接到公差訂制單后，應(yīng)嚴(yán)格按照訂制公差尺寸進(jìn)行加工。這樣，就可以提高軸承裝配的配套率。
選別分組就是逐個(gè)測(cè)量配套套匾的滾道直徑的實(shí)際尺寸偏差，以相近的偏差尺寸為一組，而把一批零件分為若干組。分組尺寸差的大小以徑向游隙公差的大小為依據(jù)。一般，套圈的選別尺寸差以按小于徑向游隙公差的三分之一進(jìn)行分組為宜。從配套精度考慮，分組差越細(xì)越好，但由于工作場(chǎng)地的條件限制，分組差也不能太細(xì)小。在實(shí)際裝配中，初選時(shí)多分組;配套選別時(shí)，多按0.002mm。或0.005mm分組。
影響滾動(dòng)軸承徑向游隙或?qū)挾鹊囊蛩刂饕莾?nèi)、外套圈滾道的直徑偏差及滾動(dòng)體的直徑偏差等。由于滾動(dòng)軸承工作的重要性，使得對(duì)其游隙值或?qū)挾?高度)公差有嚴(yán)格要求。受加工因素等的影響，滾動(dòng)軸承裝配時(shí)，除個(gè)別具有可分離套圈的軸承(如單列圓錐滾子軸承的外圈、圓柱滾子軸承的內(nèi)圈)采用互換性的裝配方法外，不能采用可互換的裝配方法，而只能采用選配的方法。選別時(shí)，軸承套圈在選別儀器上應(yīng)旋轉(zhuǎn)一圈以上，以便測(cè)出滾道的直徑變動(dòng)量，然后按平均直徑分組。
軸承套圈內(nèi)、外滾道表面及滾動(dòng)體表面在終磨和Z后超精研加工過(guò)程中，受機(jī)床精度、操作者的技術(shù)水平、零件的材質(zhì)、工卡量具的質(zhì)量、測(cè)量誤差、切削規(guī)范的選用、生產(chǎn)的環(huán)境等多種因素影響，每批產(chǎn)品中各個(gè)零件之間的尺寸偏差互有差別。尺寸都在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，而尺寸集中在中間值較多、接近尺寸極限較少。這種尺寸偏差分布現(xiàn)象符合正態(tài)分布曲線，見(jiàn)圖1-3。正態(tài)分布的特點(diǎn)與擺在裝配工作臺(tái)上分選完的套圈相似，中間尺寸套圈較多，而兩端尺寸數(shù)量極少，套圈擺放的高度中間高兩端低。
目前，主軸軸承主要有圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、2-3 列圓柱滾子軸承等形式，為使軸承有更長(zhǎng)的使用壽命和更強(qiáng)的承載能力，往往采用2 列或者3 列滾子軸承排布。在選配滾子軸承時(shí)，還應(yīng)主要考慮軸承的游隙以及滾子的修形和潤(rùn)滑油的選擇等因素。
軸承潤(rùn)滑、工作溫度和游隙對(duì)其承載能力的影響很大。適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑可以使軸承部件之間得到良好的潤(rùn)滑，特別是在低溫條件下，要求潤(rùn)滑油有良好的黏溫特性，能減小軸承啟動(dòng)時(shí)的摩擦力矩，同時(shí)為了防止?jié)櫥湍け黄茐模苊獠考g直接接觸，出現(xiàn)干摩擦狀態(tài)，軸承升溫膨脹，降低部件性能，可考慮采用集中潤(rùn)滑對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，防止由于加油周期長(zhǎng)而引起潤(rùn)滑不到位，導(dǎo)致軸承損壞。軸承游隙過(guò)大，易導(dǎo)致軸承在運(yùn)行時(shí)承受外載的滾子數(shù)量減少，加劇滾子點(diǎn)蝕磨損；游隙過(guò)小，易導(dǎo)致軸承摩擦發(fā)熱，溫度升高，破壞油膜，在很多極限工況下往往只有幾個(gè)滾子受載。因此在設(shè)計(jì)選型時(shí)就應(yīng)考慮軸承游隙對(duì)其壽命的影響。