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)組越來越趨于大型化，主軸軸承是傳動鏈的主要承載部件，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)，提出了未來軸承的發(fā)展趨勢，為軸承研發(fā)以及選型設(shè)計提供了參考。

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

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)組主軸承是主傳動鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，不僅承受外部風(fēng)載傳輸來的載荷，而且承受主軸、齒輪箱的重力載荷，工況載荷復(fù)雜，同時需要保證至少20年的使用壽命，對軸承的設(shè)計、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)傳動系統(tǒng)齒輪軸承耦合動力學(xué)模型，模擬得到了各軸承的動態(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。Wildinson[4]設(shè)計了一種故障診斷實(shí)驗平臺，通過分析扭矩、速度、振動等信號，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盈配合，過盈配合對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)合壓力與過盈量之間的關(guān)系，并有效提高了風(fēng)電機(jī)組鎖緊盤的可靠性。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復(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)值方法對比分析了多層過盈配合的接觸壓力。ZhuoY[13]等人建立雙列調(diào)心球軸承三自由度模型，研究軸承在啟動和旋轉(zhuǎn)中的動力學(xué)行為。秦大同[14]等人建立了風(fēng)電行星齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)模型，分析了軸承時變剛度對系統(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軸承滾動體與內(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題，將載荷施加在滾動體上，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。

本文對目前各大主機(jī)廠商采用的主軸軸承布置方式進(jìn)行簡要概述，同時提出了未來軸承的發(fā)展趨勢，為軸承研發(fā)以及選型設(shè)計提供了參考。

1　主軸軸承支承方式分析

目前兆瓦級風(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)式支承越來越多地應(yīng)用于大兆瓦風(fēng)機(jī)。三點(diǎn)式支承為主傳動鏈由一個主軸軸承和齒輪箱兩邊的彈性支承，兩點(diǎn)式支承為主傳動鏈由兩個主軸軸承支承，單點(diǎn)式支承為主傳動鏈由一個主軸軸承支承。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鏈的重量以及外部風(fēng)載。該布置方式結(jié)構(gòu)簡單，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，只承受徑向力，齒輪箱側(cè)調(diào)心滾子軸承同時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，需要相對長的主軸來抵?風(fēng)載產(chǎn)生的彎矩[21]，該布置方式廣泛應(yīng)用于各型號兆瓦級風(fēng)電機(jī)組。

（2）單列圓錐滾子軸承+單列圓錐滾子軸承

前后兩個單列滾子軸承采用“面對面”或者 “背對背”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，動力學(xué)特性較好；缺點(diǎn)是軸承采用負(fù)游隙安裝，同時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，動力學(xué)特性較好，但是安裝難度較大，需要較好的對中性，通常需要一體式軸承座，前后兩個軸承外圈座孔是一次性加工完成，目前在中等兆瓦級風(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)生的線性膨脹，同時也能有效緩解主軸撓曲產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力，目前在英國5MW風(fēng)機(jī)上應(yīng)用已十分成熟，在國內(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

隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組越來越趨于大型化，對風(fēng)電的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、長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，未來風(fēng)電軸承將會在設(shè)計、制造、選用、安裝、壽命預(yù)測等方面有更加深入的發(fā)展，以下從四個方面進(jìn)行簡要論述。

2.1軸承材料

軸承材料對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。未來國內(nèi)軸承發(fā)展的趨勢一定是超純化、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，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，以便滿足風(fēng)電機(jī)組實(shí)際工況，比如，SKF軸承公司開發(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，同時像調(diào)心滾子軸承一樣具有一定的調(diào)心功能。隨著滑動軸承技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[23]，風(fēng)電機(jī)組使用滑動軸承也將成為一種趨勢。

2.3智能化軸承

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，軸承智能化已經(jīng)是大勢所趨。在保證軸承性能的前提下，在軸承上集成多個傳感器，如轉(zhuǎn)速、溫度、振動載荷、噪音及潤滑狀態(tài)等傳感器。目前許多學(xué)者利用時頻-能量分析，頻域分析，時頻分析和人工智能方法對風(fēng)力機(jī)主軸承的信號，主要包括振動信號和定子電流信號進(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)驗室階段。未來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

隨著計算機(jī)性能的大幅度提高，對軸承將會有更加全面的分析，如考慮軸承套圈變形對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)測軸承壽命。

3　結(jié)語

軸承的配置方式不僅由風(fēng)機(jī)安裝位置的風(fēng)場條件決定，而且需要各個主機(jī)廠商根據(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)柔性化四個方面進(jìn)行論述，提出了未來軸承的發(fā)展趨勢，為軸承研發(fā)以及選型設(shè)計提供了參考。

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（來源：中國軸承工業(yè)協(xié)會）