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大型风电机组主轴轴承承载能力分析

点击数：4041 日期：2014/4/4

摘　要：介绍了目前大型风力发电机组主轴轴承所承受的载荷工况，分析了主轴轴承的偏载情况、润滑和游隙对承载能力和寿命的影响，以及主轴轴承的振动对自身寿命的影响，提出了设计中需要注意的重点、改进意见和建议。　　关键词：主轴轴承；偏载；润滑；游隙；轴承振动　　风力发电机组功率的不断增大带来风电机组体积和载荷的增加，这对风电机组的可靠性和安全性提出了更高的要求。风电机组主轴轴承是吸收风力作用载荷和传递载荷的主要部件，其性能的好坏不仅对传递效率有影响，而且也决定了主传动链的维护成本。本文对大型风电机组主轴轴承承载的相关问题进行分析研究。　　1　风电机组主轴轴承载荷情况　　目前，风电机组的传动链设计理念在于由主轴轴承尽可能地吸收来自作用于风电机组上的大部分载荷，包括径向力、轴向力和弯矩等。通过主轴轴承吸收大部分对后续齿轮箱和发电机不利的载荷后，只将有利的转矩传递给风电机组的高速端。因此，对主轴轴承的使用寿命提出了较高的要求。主轴轴承传动链的布置方式主要有单点支撑、双点支撑等，采用的轴承形式不尽相同，但最终目的都是为了只将转矩传递给齿轮箱或发电机等旋转部件。轴承要承受径向力、轴向力和弯距对其的作用，因此，针对不同的布置形式，在选型时就要考虑轴承的类型和将要承受何种形式的载荷。　　图1为风速时间序列图。因为风速会随着时间的改变而不断变化，载荷也随之发生变化，其对轴承的反复冲击最终会导致轴承失效。由于风的不稳定性，有些风场具有极高的湍流效应，并且在极限风速下，风载荷对风电机组部件的破坏能力更强。因此，提高轴承的承载能力和使用寿命不仅会在一定程度上提高机组的稳定性，而且能够明显地降低维护成本。图1 风速时间序列图　　2　主轴轴承承载能力分析　　2.1 偏载情况分析　　目前，主轴轴承主要有圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、3列圆柱滚子轴承等形式，为使轴承有更长的使用寿命和更强的承载能力，往往采用2列或者3列滚子轴承排布。在设计滚子轴承时，主要考虑轴承的游隙以及滚子的修形和润滑油的选择等因素。对于传统的传动链来说，与主轴轴承连接的主轴往往比较长，且风轮的中心离主轴轴承较远，会产生一定的附加弯矩，主轴虽为刚性相对较好的部件，但有可能会因载荷的作用而变形，这样，与主轴相连接的轴承内圈和外圈不同轴，产生一定的倾角，从而导致轴承偏载。图2为某工况下，2列调心圆柱滚子轴承的滚子应力分布图。由图2可知，2列圆柱滚子轴承的载荷基本呈对称分布，说明该工况下轴承部件的接触应力较均匀，且运行良好，在润滑油充足的情况下，不会产生温升。但在另一工况下（如图3所示，1列受载滚子的接触应力较小，另一列的接触应力较大，在该工况下，单边受载的情况严重，可能会导致轴承滚子其中1列滚动、另一列滑动的情况出现，润滑油膜也会分布不均，轴承部件有可能会直接相互接触，致使轴承加速发热，油膜变稀，造成轴承部件的润滑不良，加剧轴承磨损。图2 轴承滚子接触应力分布（均载情况）图3 轴承滚子接触应力分布（偏载情况）　　出现主轴轴承单列受载过大的原因主要是主轴的挠曲变形以及轴承和轴承座自身的弹性变形，而轴承采用长轴布置的方式特别不利于轴承承载均匀。因此，在尽可能的情况下，主传动链采用短轴布置，缩短轴承和风轮中心的距离，并提高主轴的刚度，减少挠曲变形，这样有利于减少附加在轴承上的弯矩，使轴承的承载尽量均匀，提高轴承的使用寿命。　　2.2 润滑以及轴承游隙分析　　轴承润滑、工作温度和游隙对其承载能力的影响很大。适当的润滑剂可以使轴承部件之间得到良好的润滑，特别是在低温条件下，要求润滑油有良好的黏温特性，能减小轴承启动时的摩擦力矩，同时要求润滑油有一定的抗水稀释性能。为了防止润滑油膜被破坏，避免部件之间直接接触，出现干摩擦状态，轴承升温膨胀，降低部件性能，可考虑采用集中润滑的方式对轴承进行润滑，防止由于加油周期长而引起润滑不到位，导致轴承损坏。　　轴承游隙过大，易导致轴承在运行时承受外载的滚子数量减少，加剧滚子点蚀磨损；游隙过小，易导致轴承摩擦发热，温度升高，破坏油膜。在很多极限工况下往往只有几个滚子受载，大部分滚子处于放松状态，因此在设计选型时就应考虑轴承游隙对其寿命的影响。　　2.3 轴承振动分析　　风速和风向是不断改变的，由于气弹相应，风轮容易出现扭转和挥舞等状况传动链也会出现扭转和摆振现象。轴承系统（包括轴承座）作为传动链的子系统，实际上为1个弹性阻尼动力学系统。风电机组在稳定的风况下，易出现有规律的扭转振动和摆振，轴承也在一定程度上会出现振动。由于扭转振动，滚子规律性地磨损保持架，而保持架被磨削的材料落入润滑油中，会加速轴承磨损。要减少轴承振动，可从增大整个传动链的阻尼入手，提高传动系统的稳定性，在传动链乃至轴承选型时要考虑机组传动链和整机的固有频率，避免传动链的固有频率和外界激励频率产生低频共振。　　3　结束语　　从目前我国投入风场运营的风电机组来看，产生主轴轴承损坏的原因除材料和加工工艺外，还因为双列主轴轴承长期在极限风速下单列偏载从而导致轴承滚道以及保持架损坏，润滑不到位而引起轴承部件磨损，游隙设计不当引起轴承失效，以及振动使轴承加速磨损等。由于风力发电机组以及风机载荷的复杂性，如何进一步提高主轴轴承的承载能力还需要进一步研究。

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