摘 要：介紹了目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承所承受的載荷工況，分析了主軸軸承的偏載情況、潤滑和游隙對(duì)承載能力和壽命的影響，以及主軸軸承的振動(dòng)對(duì)自身壽命的影響，提出了設(shè)計(jì)中需要注意的重點(diǎn)、改進(jìn)意見和建議。
關(guān)鍵詞：主軸軸承；偏載；潤滑；游隙；軸承振動(dòng)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的不斷增大帶來風(fēng)電機(jī)組體積和載荷的增加，這對(duì)風(fēng)電機(jī)組的可靠性和安全性提出了更高的要求。風(fēng)電機(jī)組主軸軸承是吸收風(fēng)力作用載荷和傳遞載荷的主要部件，其性能的好壞不僅對(duì)傳遞效率有影響，而且也決定了主傳動(dòng)鏈的維護(hù)成本。本文對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組主軸軸承承載的相關(guān)問題進(jìn)行分析研究。
1 風(fēng)電機(jī)組主軸軸承載荷情況
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。主軸軸承傳動(dòng)鏈的布置方式主要有單點(diǎn)支撐、雙點(diǎn)支撐等，采用的軸承形式不盡相同，但最終目的都是為了只將轉(zhuǎn)矩傳遞給齒輪箱或發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件。軸承要承受徑向力、軸向力和彎距對(duì)其的作用，因此，針對(duì)不同的布置形式，在選型時(shí)就要考慮軸承的類型和將要承受何種形式的載荷。
圖1為風(fēng)速時(shí)間序列圖。因?yàn)轱L(fēng)速會(huì)隨著時(shí)間的改變而不斷變化，載荷也隨之發(fā)生變化，其對(duì)軸承的反復(fù)沖擊最終會(huì)導(dǎo)致軸承失效。由于風(fēng)的不穩(wěn)定性，有些風(fēng)場(chǎng)具有極高的湍流效應(yīng)，并且在極限風(fēng)速下，風(fēng)載荷對(duì)風(fēng)電機(jī)組部件的破壞能力更強(qiáng)。因此，提高軸承的承載能力和使用壽命不僅會(huì)在一定程度上提高機(jī)組的穩(wěn)定性，而且能夠明顯地降低維護(hù)成本。
2 主軸軸承承載能力分析
2.1 偏載情況分析
目前，主軸軸承主要有圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、3列圓柱滾子軸承等形式，為使軸承有更長的使用壽命和更強(qiáng)的承載能力， 往往采用2列或者3列滾子軸承排布。在設(shè)計(jì)滾子軸承時(shí)，主要考慮軸承的游隙以及滾子的修形和潤滑油的選擇等因素。對(duì)于傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈來說，與主軸軸承連接的主軸往往比較長，且風(fēng)輪的中心離主軸軸承較遠(yuǎn)，會(huì)產(chǎn)生一定的附加彎矩，主軸雖為剛性相對(duì)較好的部件，但有可能會(huì)因載荷的作用而變形，這樣，與主軸相連接的軸承內(nèi)圈和外圈不同軸，產(chǎn)生一定的傾角，從而導(dǎo)致軸承偏載。圖2為某工況下，2列調(diào)心圓柱滾子軸承的滾子應(yīng)力分布圖。由圖2可知，2列圓柱滾子軸承的載荷基本呈對(duì)稱分布，說明該工況下軸承部件的接觸應(yīng)力較均勻，且運(yùn)行良好，在潤滑油充足的情況下，不會(huì)產(chǎn)生溫升。但在另一工況下（如圖3所示，1列受載滾子的接觸應(yīng)力較小，另一列的接觸應(yīng)力較大，在該工況下，單邊受載的情況嚴(yán)重，可能會(huì)導(dǎo)致軸承滾子其中1列滾動(dòng)、另一列滑動(dòng)的情況出現(xiàn)，潤滑油膜也會(huì)分布不均，軸承部件有可能會(huì)直接相互接觸，致使軸承加速發(fā)熱，油膜變稀，造成軸承部件的潤滑不良，加劇軸承磨損。
出現(xiàn)主軸軸承單列受載過大的原因主要是主軸的撓曲變形以及軸承和軸承座自身的彈性變形，而軸承采用長軸布置的方式特別不利于軸承承載均勻。因此，在盡可能的情況下，主傳動(dòng)鏈采用短軸布置，縮短軸承和風(fēng)輪中心的距離，并提高主軸的剛度，減少撓曲變形，這樣有利于減少附加在軸承上的彎矩，使軸承的承載盡量均勻，提高軸承的使用壽命。
2.2 潤滑以及軸承游隙分析
軸承潤滑、工作溫度和游隙對(duì)其承載能力的影響很大。適當(dāng)?shù)臐櫥瑒┛梢允馆S承部件之間得到良好的潤滑，特別是在低溫條件下，要求潤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)要求潤滑油有一定的抗水稀釋性能。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，可考慮采用集中潤滑的方式對(duì)軸承進(jìn)行潤滑，防止由于加油周期長而引起潤滑不到位，導(dǎo)致軸承損壞。
軸承游隙過大，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，大部分滾子處于放松狀態(tài)，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。
2.3 軸承振動(dòng)分析
風(fēng)速和風(fēng)向是不斷改變的，由于氣彈相應(yīng)，風(fēng)輪容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和揮舞等狀況傳動(dòng)鏈也會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和擺振現(xiàn)象。軸承系統(tǒng)（包括軸承座）作為傳動(dòng)鏈的子系統(tǒng)，實(shí)際上為1個(gè)彈性阻尼動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。風(fēng)電機(jī)組在穩(wěn)定的風(fēng)況下，易出現(xiàn)有規(guī)律的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和擺振，軸承也在一定程度上會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。由于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，滾子規(guī)律性地磨損保持架，而保持架被磨削的材料落入潤滑油中，會(huì)加速軸承磨損。要減少軸承振動(dòng)，可從增大整個(gè)傳動(dòng)鏈的阻尼入手，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在傳動(dòng)鏈乃至軸承選型時(shí)要考慮機(jī)組傳動(dòng)鏈和整機(jī)的固有頻率，避免傳動(dòng)鏈的固有頻率和外界激勵(lì)頻率產(chǎn)生低頻共振。
3 結(jié)束語
從目前我國投入風(fēng)場(chǎng)運(yùn)營的風(fēng)電機(jī)組來看，產(chǎn)生主軸軸承損壞的原因除材料和加工工藝外，還因?yàn)殡p列主軸軸承長期在極限風(fēng)速下單列偏載從而導(dǎo)致軸承滾道以及保持架損壞，潤滑不到位而引起軸承部件磨損，游隙設(shè)計(jì)不當(dāng)引起軸承失效，以及振動(dòng)使軸承加速磨損等。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及風(fēng)機(jī)載荷的復(fù)雜性，如何進(jìn)一步提高主軸軸承的承載能力還需要進(jìn)一步研究。
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