王建梅　羅永成

（太原科技大學(xué)，重型機(jī)械教育部工程研究中心）

【摘　要】風(fēng)電機(jī)組越來(lái)越趨于大型化，主軸軸承是傳動(dòng)鏈的主要承載部件，在風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。本文簡(jiǎn)要概述了主軸軸承不同支承配置方式的承載特點(diǎn)，提出了未來(lái)軸承的發(fā)展趨勢(shì)，為軸承研發(fā)以及選型設(shè)計(jì)提供了參考。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機(jī)組；主軸承；配置方式 ；發(fā)展趨勢(shì)

引言

隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組更加趨向大型化、智能化、高塔化[1]。風(fēng)電機(jī)組主軸承是主傳動(dòng)鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，不僅承受外部風(fēng)載傳輸來(lái)的載荷，而且承受主軸、齒輪箱的重力載荷，工況載荷復(fù)雜，同時(shí)需要保證至少20年的使用壽命，對(duì)軸承的設(shè)計(jì)、選型提出了更高的要求。為了提高軸承的使用壽命，學(xué)者們從不同角度對(duì)軸承進(jìn)行了研究。徐芳[2]等人建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪軸承耦合動(dòng)力學(xué)模型，模擬得到了各軸承的動(dòng)態(tài)接觸力。Chang Y H[3]等人提出了一種并行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（C-CNN）,能夠很好地判別軸承故障信號(hào)。Wildinson[4]設(shè)計(jì)了一種故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)分析扭矩、速度、振動(dòng)等信號(hào)，判斷主軸承以及齒輪箱的工作狀況。米良[5]等人基于泊松隨機(jī)過(guò)程分析了隨機(jī)變幅載荷作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片壽命。高聰穎[6]等人簡(jiǎn)單介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳軸承的載荷譜處理方法。安宗文[7]等人分析了1.5MW風(fēng)機(jī)葉片載荷，利用多軸算法預(yù)測(cè)了葉片疲勞壽命。風(fēng)力發(fā)電機(jī)固定端軸承與基座為過(guò)盈配合，過(guò)盈配合對(duì)軸承壽命具有很大的影響。寧可[8,9]等人基于厚壁圓筒理論研究得到了結(jié)合壓力與過(guò)盈量之間的關(guān)系，并有效提高了風(fēng)電機(jī)組鎖緊盤(pán)的可靠性。Bai Z[10]等人研究了考慮離心力以及溫度影響的多層過(guò)盈配合接觸壓力算法。Xia Q[11]等人從材料學(xué)的角度分析了多層金屬?gòu)?fù)合材料的結(jié)合性能。王建梅[12]等人采用解析算法與有限元數(shù)值方法對(duì)比分析了多層過(guò)盈配合的接觸壓力。ZhuoY[13]等人建立雙列調(diào)心球軸承三自由度模型，研究軸承在啟動(dòng)和旋轉(zhuǎn)中的動(dòng)力學(xué)行為。秦大同[14]等人建立了風(fēng)電行星齒輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，分析了軸承時(shí)變剛度對(duì)系統(tǒng)的影響。Jones[15]將擬靜力模型的理論基礎(chǔ)用于深溝球軸承，分析軸承在受到任意方向載荷時(shí)軸承滾動(dòng)體與內(nèi)外圈接觸面的受力分布和變形程度。Andreason[16]考慮圓錐滾子軸承內(nèi)外圈偏移量，研究低速旋轉(zhuǎn)下軸承內(nèi)外圈、滾子的變形。Liu[17]在前人的基礎(chǔ)上研究高速旋轉(zhuǎn)軸承，考慮了滾子的離心效應(yīng)和陀螺力矩的影響，分析了軸承載荷分布和應(yīng)力變形。Shelofast[18]研究了調(diào)心滾子軸承的接觸問(wèn)題，將載荷施加在滾動(dòng)體上，建立平衡方程求解滾子的位移，確定了軸承出現(xiàn)故障的位置。

本文對(duì)目前各大主機(jī)廠(chǎng)商采用的主軸軸承布置方式進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，同時(shí)提出了未來(lái)軸承的發(fā)展趨勢(shì)，為軸承研發(fā)以及選型設(shè)計(jì)提供了參考。

1　主軸軸承支承方式分析

目前兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組主軸軸承主要的支承方式有三種：三點(diǎn)式支承、兩點(diǎn)式支承、單點(diǎn)式支承[19]。其中，三點(diǎn)式支承方式多用于小兆瓦風(fēng)機(jī)，單點(diǎn)式支承越來(lái)越多地應(yīng)用于大兆瓦風(fēng)機(jī)。三點(diǎn)式支承為主傳動(dòng)鏈由一個(gè)主軸軸承和齒輪箱兩邊的彈性支承，兩點(diǎn)式支承為主傳動(dòng)鏈由兩個(gè)主軸軸承支承，單點(diǎn)式支承為主傳動(dòng)鏈由一個(gè)主軸軸承支承。各風(fēng)機(jī)制造商根據(jù)風(fēng)機(jī)外形、制造成本、安裝工藝等因素選擇合適的布置形式。

1.1三點(diǎn)式支承

主軸軸承采用一個(gè)調(diào)心滾子軸承，主軸軸承和齒輪箱兩邊的彈性支承共同承受主傳動(dòng)鏈的重量以及外部風(fēng)載。該布置方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配要求不高，齒輪箱兩邊的彈性支承能夠抵抗外部風(fēng)載產(chǎn)生的彎矩。缺點(diǎn)是主軸動(dòng)力學(xué)特性較差，系統(tǒng)剛性差，主軸將一部分載荷傳遞給齒輪箱，所以對(duì)齒輪箱可靠性要求較高，否者將造成齒輪箱破壞，大大增加維護(hù)成本。該布置方式一般應(yīng)用于低兆瓦風(fēng)電機(jī)組。

1.2兩點(diǎn)式支承

（1）調(diào)心滾子軸承+調(diào)心滾子軸承

輪轂側(cè)調(diào)心滾子軸承軸向浮動(dòng)，只承受徑向力，齒輪箱側(cè)調(diào)心滾子軸承同時(shí)承受軸向力和徑向力。調(diào)心滾子軸承具有良好的調(diào)心性能，能夠抵消一定的安裝誤差以及主軸撓曲產(chǎn)生的傾斜[20]。該布置形式安裝容易，能夠抵消主軸因溫度變化而產(chǎn)生的軸向尺寸變化。但是該布置方式剛性較差，需要相對(duì)長(zhǎng)的主軸來(lái)抵?風(fēng)載產(chǎn)生的彎矩[21]，該布置方式廣泛應(yīng)用于各型號(hào)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組。

（2）單列圓錐滾子軸承+單列圓錐滾子軸承

前后兩個(gè)單列滾子軸承采用“面對(duì)面”或者 “背對(duì)背”的安裝方式，該布置形式能夠承受較大的軸向力和徑向力，系統(tǒng)剛性好，動(dòng)力學(xué)特性較好；缺點(diǎn)是軸承采用負(fù)游隙安裝，同時(shí)需要考慮溫度變化造成的應(yīng)力，安裝要求較高，在風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用并不廣泛。

（3）圓柱滾子軸承+雙列圓錐滾子軸承

圓柱滾子軸承能夠承受較大的徑向力，同時(shí)能夠抵消熱脹冷縮造成主軸的尺寸變化。該布置方式軸承定位可靠，動(dòng)力學(xué)特性較好，但是安裝難度較大，需要較好的對(duì)中性，通常需要一體式軸承座，前后兩個(gè)軸承外圈座孔是一次性加工完成，目前在中等兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)上應(yīng)用較多。

（4）CARB圓環(huán)滾子軸承+調(diào)心滾子軸承

CARB圓環(huán)滾子軸承是SKF軸承公司開(kāi)發(fā)的一種單列軸承，滾子稍帶弧面，滾道輪廓為圓弧面，具有調(diào)心功能。該軸承只能承受徑向力，不能承受軸向力，能夠抵消溫度變換產(chǎn)生的線(xiàn)性膨脹，同時(shí)也能有效緩解主軸撓曲產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力，目前在英國(guó)5MW風(fēng)機(jī)上應(yīng)用已十分成熟，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。

1.3單點(diǎn)式支承

單點(diǎn)式支承大多采用雙列圓錐滾子軸承，該軸承承受所有主傳動(dòng)鏈重量以及外部風(fēng)載，軸承直徑較大。該布置形式能夠承受較大徑向載荷、軸向載荷以及傾覆載荷，但是成本較高，目前廣泛應(yīng)用于大兆瓦風(fēng)機(jī)。

2　主軸軸承發(fā)展趨勢(shì)

隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組越來(lái)越趨于大型化，對(duì)風(fēng)電的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、長(zhǎng)壽命等提出了更高的要求。根據(jù)目前風(fēng)電行業(yè)目前主要的配置形式，未來(lái)風(fēng)電軸承將會(huì)在設(shè)計(jì)、制造、選用、安裝、壽命預(yù)測(cè)等方面有更加深入的發(fā)展，以下從四個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

2.1軸承材料

軸承材料對(duì)軸承承載性能以及軸承壽命具有決定性的影響。軸承材料不僅包含材料成分組成，還有材料純度、材料晶體結(jié)構(gòu)等。未來(lái)國(guó)內(nèi)軸承發(fā)展的趨勢(shì)一定是超純化、多量化、定量化以及低成本化[22]，提高軸承鋼產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，減少次品率。建立軸承熱處理數(shù)據(jù)庫(kù)，提高軸承表面改性技術(shù)，進(jìn)而提高軸承使用性能。研究不同金屬成分對(duì)軸承性能的影響，提高軸承熱處理工藝，研究軸承破壞機(jī)理以及加工對(duì)軸承材料的影響機(jī)理，提高加工工藝。

2.2軸承結(jié)構(gòu)

軸承一般由內(nèi)外套圈、滾子和保持架組成，通過(guò)優(yōu)化軸承的輪廓形狀，可以減少應(yīng)力集中，優(yōu)化軸承承載性能，提高軸承壽命。另外，各大公司也在積極研發(fā)新型主軸軸承，以便滿(mǎn)足風(fēng)電機(jī)組實(shí)際工況，比如，SKF軸承公司開(kāi)發(fā)的CARB圓環(huán)滾子軸承，該軸承不僅像圓柱滾子軸承一樣具有較大的承載能力，同時(shí)像調(diào)心滾子軸承一樣具有一定的調(diào)心功能。隨著滑動(dòng)軸承技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[23]，風(fēng)電機(jī)組使用滑動(dòng)軸承也將成為一種趨勢(shì)。

2.3智能化軸承

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，軸承智能化已經(jīng)是大勢(shì)所趨。在保證軸承性能的前提下，在軸承上集成多個(gè)傳感器，如轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)載荷、噪音及潤(rùn)滑狀態(tài)等傳感器。目前許多學(xué)者利用時(shí)頻-能量分析，頻域分析，時(shí)頻分析和人工智能方法對(duì)風(fēng)力機(jī)主軸承的信號(hào)，主要包括振動(dòng)信號(hào)和定子電流信號(hào)進(jìn)行了分析，能夠及早判斷軸承故障[24]，但是目前這些方法大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。未來(lái)軸承將具有自反饋機(jī)制，能夠做到自感知、自決策以及自調(diào)控[25]，提高軸承壽命。

2.4系統(tǒng)柔性化

隨著計(jì)算機(jī)性能的大幅度提高，對(duì)軸承將會(huì)有更加全面的分析，如考慮軸承套圈變形對(duì)軸承載荷分布的影響。系統(tǒng)柔性化分析需要考慮與主軸軸承相關(guān)部件的柔性變形，系統(tǒng)分析軸承載荷，更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)軸承壽命。

3　結(jié)語(yǔ)

軸承的配置方式不僅由風(fēng)機(jī)安裝位置的風(fēng)場(chǎng)條件決定，而且需要各個(gè)主機(jī)廠(chǎng)商根據(jù)制造技術(shù)、安裝工藝以及成本控制等因素進(jìn)行選擇。本文簡(jiǎn)要概述了主軸軸承目前主要的配置形式，并從軸承材料、軸承結(jié)構(gòu)、智能化軸承、系統(tǒng)柔性化四個(gè)方面進(jìn)行論述，提出了未來(lái)軸承的發(fā)展趨勢(shì)，為軸承研發(fā)以及選型設(shè)計(jì)提供了參考。

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（來(lái)源：中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)）