風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承八木壯一風(fēng)力發(fā)電作為清潔型能源倍受關(guān)注，并迅速普及，NTN進(jìn)行軸承的詳細(xì)技術(shù)分析并開(kāi)發(fā)各種新產(chǎn)品，努力提高風(fēng)機(jī)軸承的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。本文就風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和所用軸承的特點(diǎn)及選用時(shí)應(yīng)注意的方面加以解說(shuō)。2002年，在世界范圍內(nèi)發(fā)電量大約為31000MW，比上一年增加27%。在過(guò)去的幾年里，作為對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染的最清潔的能源，無(wú)二氧化碳排放的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，贏得了廣泛的認(rèn)可。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)發(fā)展方向就是提高可靠性和經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)降低經(jīng)營(yíng)成本。就這種應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)而言，風(fēng)力發(fā)電機(jī)上最重要的組件之一軸承，需要優(yōu)化可靠性和經(jīng)濟(jì)效益的設(shè)計(jì)。本文介紹風(fēng)機(jī)軸承的特殊性能和優(yōu)化風(fēng)機(jī)軸承的設(shè)計(jì)方法。1、 前言全

2、世界風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電量，2002年底約達(dá)到31000MW，比上一年度增加了27%。風(fēng)力發(fā)電作為沒(méi)有二氧化碳排放且對(duì)環(huán)境影響最小的清潔型能源，近年來(lái)在全球迅速普及。在風(fēng)力發(fā)電方面，提高設(shè)備的可靠性和降低發(fā)電成本提高其經(jīng)濟(jì)性是主要課題。支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組件軸承，充分考慮使用環(huán)境，需要高可靠性和高經(jīng)濟(jì)性并存的最佳設(shè)計(jì)。文章介紹軸承的最佳設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)用軸承。2、 風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和軸承圖1表示12MW風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)艙。在轉(zhuǎn)子主軸、齒輪箱（增速機(jī)）、發(fā)電機(jī)、偏航齒輪箱（減速機(jī)）、還有偏航旋轉(zhuǎn)座、葉片節(jié)矩旋轉(zhuǎn)座、液壓泵等許多部位都使用軸承。3、 軸承的使用條件轉(zhuǎn)子主軸軸承，支撐葉片和轉(zhuǎn)子，且把旋轉(zhuǎn)扭矩傳送到增速機(jī)

3、。由于風(fēng)經(jīng)常變化，所以作用于主軸軸承的負(fù)荷和轉(zhuǎn)數(shù)變化很大。在起動(dòng)風(fēng)速（為了發(fā)電必需的最小風(fēng)速）以下時(shí)，轉(zhuǎn)子主軸處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，低速輕負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，而在起動(dòng)風(fēng)速以上的發(fā)電狀態(tài)下，額定轉(zhuǎn)數(shù)上升，負(fù)荷也達(dá)到平均值。特別是突然刮風(fēng)時(shí)，通過(guò)葉片、轉(zhuǎn)子，主軸軸承要承載很大的負(fù)荷。主軸軸承所承載的負(fù)荷和力矩 1如圖2所示。和主軸軸承一樣齒輪箱軸承也要承載這樣的負(fù)荷力矩和轉(zhuǎn)數(shù)的變動(dòng)。在從輕負(fù)荷到突然刮風(fēng)時(shí)的重負(fù)荷幅度較寬的負(fù)荷區(qū)域里運(yùn)轉(zhuǎn)，是風(fēng)機(jī)軸承的一大特點(diǎn)。圖3表示的是700KW級(jí)風(fēng)機(jī)在23m/s25m/s之間1分鐘內(nèi)的負(fù)荷和力矩變化的例子。轉(zhuǎn)子主軸軸承，經(jīng)常承受變動(dòng)的負(fù)荷，同時(shí)反復(fù)不規(guī)律地起動(dòng)、加速、減速、停止

4、。對(duì)除轉(zhuǎn)子主軸軸承之外的軸承，使用部位，特別是對(duì)最小負(fù)荷、平均負(fù)荷、最大負(fù)荷的各種條件，軸承類(lèi)型、軸承游隙、軸承的滾子個(gè)數(shù)、凸度加工、保持架等軸承的最佳技術(shù)條件的研究是非常重要的。4、 轉(zhuǎn)子主軸軸承用增速機(jī)加速葉片旋轉(zhuǎn)以達(dá)到感應(yīng)發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)，這種形式的發(fā)電機(jī)主軸結(jié)構(gòu)和適用軸承如表1所示。另外，無(wú)增速機(jī)的同類(lèi)發(fā)電機(jī)的主軸結(jié)構(gòu)如表2所示。設(shè)計(jì)時(shí)考慮最大負(fù)荷負(fù)重時(shí)軸箱的必要強(qiáng)度和平均負(fù)荷負(fù)重時(shí)軸箱的變位進(jìn)行軸承壽命的研究，選擇滿足簡(jiǎn)化的軸箱設(shè)計(jì)和實(shí)用上充分計(jì)算壽命的主軸軸承。另外，考慮軸箱和外圈滾道面的變形，計(jì)算各滾動(dòng)體負(fù)荷并計(jì)算旋轉(zhuǎn)套圈和固定套圈各自的壽命。1 QR= Z1Qs= ZJ=1ZZ

5、(QRJ)wi1/wi J=1(QsJ)we1/weQR ,Qs ：旋轉(zhuǎn)套圈、固定套圈的平均負(fù)荷Z ：滾動(dòng)體個(gè)數(shù)we, wi ：常量LR=(Cn/QR)P ：旋轉(zhuǎn)套圈的壽命LS =(Cn/QS)P ：固定套圈的壽命L= (LR-e+ LS-e)-1/e：軸承壽命Cn ：對(duì)于接觸點(diǎn)的額定動(dòng)負(fù)荷P ：球軸承 3滾軸承 10/3e ：球軸承 10/9滾軸承 9/8就軸承類(lèi)型而言，自動(dòng)調(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承是主流，但大多使用在非直線性上有利的自動(dòng)調(diào)心滾子軸承。主軸的非直線性一般需要考慮±0.5°。NTN的B型自動(dòng)調(diào)心滾子軸承，由于是用中間擋邊引導(dǎo)滾子的設(shè)計(jì)，所以在從最小負(fù)荷到最

6、大負(fù)荷較寬的負(fù)荷區(qū)域，沒(méi)有歪斜，可以在穩(wěn)定的扭矩和低發(fā)熱情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4表示NTN自動(dòng)調(diào)心滾子軸承的B型和C型的結(jié)構(gòu)。另外，在轉(zhuǎn)子主軸軸承上，葉片振動(dòng)和齒輪箱振動(dòng)增加，就有發(fā)生摩擦腐蝕的危險(xiǎn)，因此，軸承的選定和游隙以及配合的最佳化和選擇合適的潤(rùn)滑油是很重要的。 照片1是加振試驗(yàn)后的軸承外觀的例子。轉(zhuǎn)子主軸軸承外圈和軸箱的變形分析例如圖5所示。根據(jù)軸箱的應(yīng)力分析，考慮強(qiáng)度 2確認(rèn)和軸箱以及軸承的變形量、軸承游隙，計(jì)算軸承壽命，試圖優(yōu)化軸承和軸箱。1.5MW風(fēng)機(jī)的軸承和軸箱徑向的最大變形量為0.07mm?？紤]到這個(gè)變形量和軸承游隙的軸承壽命計(jì)算結(jié)果和把軸箱作為鋼體的壽命差在5%以?xún)?nèi)，這個(gè)值在實(shí)用上

7、是沒(méi)有問(wèn)題的。這個(gè)壽命差大，壽命就縮短，這時(shí)，必須變更軸箱設(shè)計(jì)，提高剛性。5、 齒輪箱用行星軸承齒輪箱由輸入軸、行星、低速軸、中間軸、高速軸組成。增速機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。在輸入軸、低速軸上使用的滿裝圓柱滾子軸承的外觀如照片2所示。另外，行星齒輪結(jié)構(gòu)的模型如圖7所示。行星軸承上使用自動(dòng)調(diào)心滾子軸承、滿裝圓柱滾子軸承。在行星軸承的分析模型中，以軸承的負(fù)荷作為滾動(dòng)體負(fù)荷，固定內(nèi)齒輪端和恒星齒輪端的各個(gè)齒輪咬合點(diǎn)，考慮外圈變形，計(jì)算軸承壽命。圖8表示的是1.5MW齒輪箱用的行星軸承的變形分析結(jié)果的例子。行星軸承采用2套雙列圓柱滾子軸承的滾動(dòng)體4列，最大變形量為0.21mm。根據(jù)分析結(jié)果，考慮套圈彈性

8、形變的計(jì)算壽命，在各列之間產(chǎn)生了最大58%的差，我們認(rèn)為托架端列與其他列端相比荷重負(fù)荷比例高，計(jì)算壽命短。軸承的排列如圖9所示，計(jì)算結(jié)果如表3所示。齒輪箱用的軸承的最大接觸面壓力，在自動(dòng)調(diào)心滾子軸承的情況下用點(diǎn)接觸進(jìn)行計(jì)算，圓柱滾子軸承就用線接觸求得。而且應(yīng)用考慮非直線性的計(jì)算有規(guī)范的傾向。Pmax=KlcKmPline(圓柱滾子軸承)Klc：凸面修正系數(shù)Km：非直線性系數(shù)Pline：最大線接觸表面壓力自動(dòng)調(diào)心滾子軸承的最大接觸面壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，需要加大軸承尺寸。這時(shí)計(jì)算壽命延長(zhǎng)，也可以降低最大接觸面壓力，相反，在輕負(fù)荷時(shí)滾動(dòng)體很難在滾道面上滾動(dòng)，滑動(dòng)增加，會(huì)發(fā)生滾道面表面損傷的危險(xiǎn)。因此，

9、NTN推薦最小負(fù)荷在基本額定靜負(fù)荷的4%以上。在潤(rùn)滑面上，需要有為了起動(dòng)時(shí)不使油面上部的行星軸承潤(rùn)滑不足的方法。綜上所述，行星齒輪的課題可以歸納為以下3點(diǎn)。 齒輪和軸承外圈彈性形變的影響 由托架扭曲等引起的行星軸承的非直線性的影響 潤(rùn)滑油不足的影響選定充分考慮這些特點(diǎn)的最佳的軸承規(guī)格。作為行星齒輪，在這些使用條件下，在高負(fù)荷容量且輕負(fù)荷情況下，NTN試圖達(dá)到滑動(dòng)和粘著性很強(qiáng)的擋邊設(shè)計(jì)和軸向游隙的最佳化。另外，通過(guò)特殊熱處理達(dá)到長(zhǎng)壽命化。特別是，引入如圖10及圖11所示的專(zhuān)用試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)一步推進(jìn)下一代行星軸承的開(kāi)發(fā)。6、 發(fā)電機(jī)用絕緣軸承發(fā)電機(jī)上使用的軸承，為防止因軸承內(nèi)部導(dǎo)電引起的電火花現(xiàn)象（電

10、蝕），提高其可靠性是必不可少的。NTN開(kāi)發(fā)了通過(guò)采用特殊陶瓷和改良金屬?lài)婂兎?，確保絕緣能力和可靠性的單層式新產(chǎn)品。絕緣電阻值100M以上，具有絕緣破壞電壓2KV以上的絕緣性能，滿足了風(fēng)力發(fā)電機(jī) 3要求的絕緣性能。絕緣軸承的外觀如照片3所示。7、 偏航齒輪箱用軸承由于偏航齒輪箱要求小型且大扭矩傳動(dòng)，所以軸承也追求小型設(shè)計(jì)且高負(fù)荷容量。因此，滾道圈多使用薄壁角接觸球軸承和圓錐滾子軸承。如果是負(fù)載較大軸向負(fù)荷的角接觸球軸承，就要提高內(nèi)圈以及外圈滾道溝槽擋邊的高度，作為增大容許軸向負(fù)荷的特殊設(shè)計(jì)。圖12表示偏航齒輪箱用的特殊產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的橫斷面。該型號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品相比，確保約9倍的高容許軸向負(fù)荷。為了圓錐滾子軸承長(zhǎng)壽命化，采用經(jīng)碳氮共滲處理的ETA軸承。ETA軸承，由于特殊的熱處理，表層部分殘留奧氏體和炭化物的分散恰當(dāng)，熱穩(wěn)定性好，對(duì)潤(rùn)滑油中的異物有很高的耐剝皮強(qiáng)度，是一種長(zhǎng)壽命軸承，試驗(yàn)條件如表4所示，壽命試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。通過(guò)這個(gè)方法，NTN達(dá)到了小型、可靠性高的軸承技術(shù)要求。8、