圓錐滾子軸承在風(fēng)電主軸支撐結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與分析
2012-06-08作者：陸建國
（鐵姆肯公司高級(jí)應(yīng)用工程師）
隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的不斷提高，以往在主軸支撐結(jié)構(gòu)中使用較多的調(diào)心滾子軸承正在逐漸地被圓錐滾子軸承方案所取代。常見的圓錐滾子軸承方案有三種，分別是雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承方案，兩個(gè)單列圓錐滾子軸承配合使用方案以及一個(gè)超大圓錐滾子軸承方案。這三種方案具有一定的共性，但又各自具有不同的特點(diǎn)，因此適用于不同的主軸設(shè)計(jì)思路。本文通過比較的方法闡述了這三種圓錐滾子軸承方案的特點(diǎn)以及在軸承選型分析時(shí)需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。（鐵姆肯公司高級(jí)應(yīng)用工程師）
雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承方案
1．布置結(jié)構(gòu)
這種方案被廣泛地應(yīng)用于兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的主軸支撐結(jié)構(gòu)中，常見的布置形式有兩種：圓錐滾子軸承布置于上風(fēng)向位置，圓柱滾子軸承布置于下風(fēng)向位置；圓錐滾子軸承布置于下風(fēng)向位置，圓柱滾子軸承布置于上風(fēng)向位置。無論哪一種布置形式，一般圓錐滾子軸承都作為固定端支撐而承受軸向力，而圓柱滾子軸承則作為浮動(dòng)端吸收軸向熱膨脹。圓錐滾子軸承被布置于上風(fēng)向時(shí)，由于其不僅要承受很大的徑向力還要承受軸向力，所以軸承所需的承載能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下風(fēng)向的圓柱滾子軸承。因此軸承的成本相對(duì)較高，但是圓錐滾子軸承可以采用預(yù)緊也即負(fù)游隙從而使得輪轂端的剛性得到提高。
2．游隙及錐角的選擇
這種方案比較常見的組合是NU/NNU型圓柱滾子軸承加上雙內(nèi)圈型圓錐滾子軸承，有時(shí)也會(huì)采用NJ型圓柱滾子軸承。雙列圓錐滾子軸承其兩排滾子間的載荷分配一般都不是均勻的，承受外部軸向力的一列受力要大很多，相應(yīng)地疲勞壽命也會(huì)小很多，適當(dāng)減小游隙可以在一定程度上避免這種情況的發(fā)生。圖1和圖2所示為某1.5MW風(fēng)機(jī)同一工況下不同游隙所形成的承載區(qū)比較。這種方案采用的圓錐滾子軸承的錐角一般都比較小，原因在于相同尺寸下縮小錐角可以提高軸承的徑向承載能力。另外，軸承采用小的錐角可以減少雙列圓錐滾子軸承發(fā)生單列承載情況的概率。
無論是圓柱滾子軸承還是雙列圓錐滾子軸承，它們的載荷支撐點(diǎn)理論上都位于軸承的中心位置，因此采用該方案的主軸支撐結(jié)構(gòu)載荷作用點(diǎn)跨距等于浮動(dòng)端和固定端軸承間的距離(圖3)。方案中軸承支承點(diǎn)跨距和所需軸承自身的內(nèi)外徑以及錐角沒有關(guān)系，而僅僅和軸承布置的距離相關(guān)。這就意味著在實(shí)際的主軸設(shè)計(jì)中，如果所選擇的軸承尺寸和承載能力沒有足夠大的設(shè)計(jì)余量，那么主軸必須要采用長主軸的設(shè)計(jì)理念，通過增加軸承之間的跨距來提升支承系統(tǒng)抗傾覆力矩的能力。
1．布置結(jié)構(gòu)
這種方案在國外應(yīng)用得非常廣泛，從千瓦級(jí)風(fēng)機(jī)到兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)都有應(yīng)用，從結(jié)構(gòu)上看，這種方案又分為跨式布置和懸臂梁布置兩種形式(圖4)。功率較小的風(fēng)機(jī)通常采用跨式布置形式，其優(yōu)點(diǎn)是軸承受力較小，成本相對(duì)較低，但功率較大時(shí)隨著葉片以及輪轂尺寸的變大，主軸的加工比較困難。因此跨式布置形式雖然在國外比較常見，但目前國內(nèi)采用此種布置形式的并不多見。與之相對(duì)應(yīng)的是，采用懸臂梁布置形式時(shí)，軸承尤其是上風(fēng)向軸承尺寸較大且成本較高，但主軸加工相對(duì)要簡單一些。目前所了解到的國外10MW的風(fēng)機(jī)所采用的主軸軸承支撐結(jié)構(gòu)就是懸臂梁式單列圓錐滾子軸承方案。
2．安裝配合的要求
和前一種方案一樣，這種方案也要求采用一體式的軸承座，如果采用類似調(diào)心滾子軸承式的分體軸承座往往容易造成兩個(gè)軸承的偏心過大，從而影響軸承的使用壽命。軸承的樣本壽命計(jì)算是基于萬分之五弧度的偏心量，就以往所作的實(shí)踐來看，如果偏心超過千分之一，則軸承的壽命將會(huì)受到明顯的影響。
該方案在選型設(shè)計(jì)時(shí)一般推薦軸孔采用較大的過盈配合，即無論軸旋轉(zhuǎn)還是軸承座旋轉(zhuǎn)，軸和孔都采用較大的過盈配合，如果采用的主軸是空心軸則過盈量要根據(jù)周環(huán)應(yīng)力的大小適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。在本文所提到的三種圓錐滾子軸承方案中，這種方案所采用的過盈量是Z大的(同等尺寸下)，原因在于單列圓錐滾子軸承承受徑向力之后會(huì)產(chǎn)生一定軸向分力，而且這里的錐角一般比普通應(yīng)用略大，所以軸向分力相對(duì)也比較大，因此必須要保證軸和內(nèi)圈之間以及軸承座和外圈之間具有足夠的摩擦力防止相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際選型設(shè)計(jì)中，如果沒有對(duì)這種情況進(jìn)行校核和分析，建議所有這些接觸面都要進(jìn)行硬化處理。
3．游隙要求現(xiàn)場調(diào)整
此種方案具有很高的經(jīng)濟(jì)性，在國外也已經(jīng)較為普遍，但目前國內(nèi)使用的并不多，其中很重要的原因就是很多設(shè)計(jì)人員擔(dān)心在進(jìn)行風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)時(shí)采用這種軸承選型后游隙調(diào)整比較困難。不可否認(rèn)，這種設(shè)計(jì)在調(diào)整游隙時(shí)具有一定的難度，但只要掌握了恰當(dāng)?shù)募记苫蛘叻椒ū憧梢钥朔Ｎ覀兒椭鬏S設(shè)計(jì)人員交流時(shí)一般會(huì)提供兩種游隙調(diào)整或?qū)崿F(xiàn)的方法，一種是通過現(xiàn)場測(cè)量和計(jì)算，另一種是采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)圈模塊。
這兩種方案在國外以及國內(nèi)都有應(yīng)用。實(shí)際上，由于游隙是現(xiàn)場測(cè)量調(diào)整，因此實(shí)際的裝機(jī)游隙能夠控制在一個(gè)非常小的范圍之內(nèi)。種方案圓錐滾子軸承安裝后游隙范圍一般在0.2～0.4mm之間，而這種方案則可以控制在0.1mm之內(nèi)，而且從實(shí)踐來看，這種方案軸承的壽命曲線相對(duì)比較平緩，所以所允許的游隙誤差也比較大。
4．關(guān)于溫差的問題
對(duì)于這種方案，很多設(shè)計(jì)人員還有另外一個(gè)顧慮，那就是熱脹冷縮。由于風(fēng)機(jī)所處的環(huán)境溫度變化比較大，所以他們擔(dān)心在比較極端的溫度下軸承的游隙變化太大而導(dǎo)致軸承發(fā)生提前損壞。事實(shí)上，這種擔(dān)心是沒有必要的。首先必須要把環(huán)境溫度變化和軸承溫差區(qū)分開，其次要正確認(rèn)識(shí)圓錐滾子軸承布置形式對(duì)溫度敏感性的問題。影響軸承游隙的是內(nèi)外圈的溫差而不是整體環(huán)境的溫度變化，環(huán)境溫度從常溫上升到50℃時(shí)，不僅軸會(huì)膨脹，其他的部件也會(huì)。在膨脹系數(shù)差別不大的前提下，游隙的變化不會(huì)如很多人想象的那么大。還有更重要的一點(diǎn)就是，單列圓錐滾子軸承分為背對(duì)背和面對(duì)面兩種布置形式，分別適合不同的應(yīng)用，在風(fēng)機(jī)主軸上為了提高抗傾覆力矩的能力，一般采用背對(duì)背的布置形式。這兩種布置形式下軸承的運(yùn)行游隙對(duì)溫差敏感性是完全不同的。假定在一個(gè)應(yīng)用中，有兩個(gè)錐角為23°的單列圓錐滾子軸承被布置成背對(duì)背以及面對(duì)面兩個(gè)形式，假設(shè)溫差達(dá)到20℃，軸承之間距離為2m，軸承外圈平均工作點(diǎn)直徑0.9m，零部件的膨脹系數(shù)為12×E-6，那么面對(duì)面安裝時(shí)軸向游隙的變化為0.984mm，背對(duì)背安裝時(shí)軸向游隙的變化為0.024mm，兩種不同布置形式對(duì)溫差的敏感性差別極大。
超大雙列圓錐滾子軸承方案
1．主要特點(diǎn)
這種方案Z大的特點(diǎn)就是主軸非常短，為了提高抗傾覆力矩的能力，軸承徑向直徑很大且采用的錐角也非常大(比如說45°)以此來提高軸承的兩個(gè)實(shí)際支承點(diǎn)的有效跨距。從成本角度考慮，這種方案有效縮短了主軸的長度，但軸承本身的成本卻非常高。這種方案在直驅(qū)型以及混驅(qū)型風(fēng)機(jī)中比較常見，原因在于整個(gè)軸系傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)非常緊湊。一般情況下，軸承的游隙值采用負(fù)游隙，以實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。
2．需要整體性分析
這種方案在確定軸承游隙時(shí)必須要考慮夾緊力以及整個(gè)系統(tǒng)剛性的影響，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)通過FEA有限元分析得到的安裝前和安裝后游隙和通過普通公式得到的安裝前和安裝后的游隙關(guān)系圖差別很大。因此在實(shí)踐中一般建議進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的FEA分析，從而得到較為準(zhǔn)確的安裝前與安裝后游隙關(guān)系圖，然后進(jìn)一步確認(rèn)安裝前的游隙。為了提高性能，我們一般建議軸承工作在負(fù)游隙范圍之內(nèi)，因此可以利用6Sigma方法進(jìn)行尺寸公差的計(jì)算，從而得到99.73％概率下的游隙范圍值，這是對(duì)FEA分析方法的一種補(bǔ)充和驗(yàn)證。
與前面提到的兩種方案不同的是，這種方案往往把密封等很多其他的部件集成到軸承之中，因此除了正常的軸承疲勞壽命以及應(yīng)力計(jì)算之外，必須要對(duì)極限工況下軸系各個(gè)位置，尤其是密封位置處變形等進(jìn)行評(píng)估。
在很多情況下，這種方案的軸承座或者主軸被螺栓所取代，一方面使得結(jié)構(gòu)更為緊湊，另一方面徹底消除丁跑圈的可能性，但在進(jìn)行軸承分析時(shí)要考慮到螺栓對(duì)于軸承的影響。
這三種方案是風(fēng)機(jī)主軸上常見的圓錐滾子軸承選型方案，它們各有特點(diǎn)，適合于不同的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)思路。在三種方案進(jìn)行簡單對(duì)比的表格中，主要突出各種方案的Z重要的特點(diǎn)。在實(shí)際的選型設(shè)計(jì)時(shí)，可以參考表一進(jìn)行方案的初始選擇。
注釋：
本文圖例中所應(yīng)用的具體數(shù)據(jù)均基于特定的軸承型號(hào)和應(yīng)用工況，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境條件的變化會(huì)得到不同的分析數(shù)據(jù)結(jié)果，雖然這并不影響本文的概念和趨勢(shì)性分析。
本文圖例中所應(yīng)用的具體數(shù)據(jù)均基于特定的軸承型號(hào)和應(yīng)用工況，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境條件的變化會(huì)得到不同的分析數(shù)據(jù)結(jié)果，雖然這并不影響本文的概念和趨勢(shì)性分析。