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(rùn)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(jiàn)和建議。
關(guān)鍵詞：主軸軸承；偏載；潤(rùn)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(lái)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(wèn)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(lái)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(guò)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(zhǎng)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(rùn)滑油的選擇等因素。對(duì)于傳統(tǒng)的傳動(dòng)鏈來(lái)說(shuō)，與主軸軸承連接的主軸往往比較長(zhǎng)，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(shuō)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑不良，加劇軸承磨損。
出現(xiàn)主軸軸承單列受載過(guò)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(zhǎng)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(rùn)滑以及軸承游隙分析
軸承潤(rùn)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?rùn)滑劑可以使軸承部件之間得到良好的潤(rùn)滑，特別是在低溫條件下，要求潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑的方式對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，防止由于加油周期長(zhǎng)而引起潤(rùn)滑不到位，導(dǎo)致軸承損壞。
軸承游隙過(guò)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(guò)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(rùn)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(yǔ)
從目前我國(guó)投入風(fēng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的風(fēng)電機(jī)組來(lái)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(zhǎng)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(rùn)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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