兆瓦级风电变桨轴承的技术要求与制造

2011-07-23张宏伟扈文庄邢振平刘河

轴承 2011年6期

关键词：游隙变桨套圈

张宏伟，扈文庄，邢振平，刘河

(1.大连冶金轴承股份有限公司，辽宁大连 116202； 2.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；3.金风科技股份有限公司，北京 100176)

1 变桨轴承的技术要求

变桨轴承作为风力发电机的关键部件，与变桨驱动装置一起作用，通过改变叶片角度(即桨距角)实现对风力发电机叶片输出功率的控制和桨叶的安全性保证。变桨轴承承受3个方向交变的轴向力、径向力和大的倾覆力矩，载荷分布如图1所示。

图1 变桨轴承载荷分布示意图

变桨轴承的工作环境非常恶劣(高温、高寒、高原、高盐和高风沙)，要使其满足20年使用寿命的要求，就必须保证变桨轴承在整个运行期间，保持均匀和稳定的启动摩擦力矩、有效的密封，变桨不能出现失败。

由于兆瓦级风电变桨轴承要求高可靠性和长使用寿命且又是双排四点接触球结构，因此，对成品和零件的技术要求不同于普通回转支承。套圈材料要求为炉外精炼真空脱气、符合EN10083标准的合金结构钢42CrMo4；套圈基体做调质处理，硬度大于260 HB，材料的力学性能要达到：抗拉强度σb≥850 MPa、屈服强度σs≥650 MPa、伸长率δs≥12%、-40 ℃时V形试棒的冲击功平均值大于27 J。保持架采用低合金高强度结构钢Q345C或合金结构钢QSTE380Tm制造。

套圈沟道的硬度和有效硬化层厚度是轴承寿命的保障基础。由于42CrMo4表面淬火后硬化层与基体之间没有过渡层，因此在承受载荷时，出现疲劳的位置在硬化层与基体之间。如果沟道硬化层厚度不足，沟道载荷的作用力会直接作用在硬化层与基体之间并产生疲劳裂纹，严重时会使沟道材料呈片状脱落，造成轴承损坏。当承受瞬间极限载荷时，会在沟道与钢球接触部位产生塑性变形(压痕)，影响轴承的回转，产生振动。当长时间承受大载荷时，钢球会缓慢地挤压沟道，使沟道产生塑性变形，将变形量从软带挤出形成凸出，影响轴承的回转，严重时甚至会卡死轴承。因此,套圈沟道采用中频表面淬火，硬度为57～62 HRC，有效硬化层成品厚度取决于钢球直径，最薄应大于4.5 mm；齿部采用中频或高频表面淬火，硬度为50～60 HRC，有效硬化层厚度参照ISO 6336-5(E)标准规定，最薄应大于1.5 mm。

为消除轴承运行时高频振动造成的钢球与沟道之间产生的冲击载荷，轴承采取负游隙，即沟道与钢球之间有预过盈，过盈量用启动摩擦力矩来确定。2个单沟道启动摩擦力矩的差值是2个单沟道过盈量的差值，过盈量的差值直接影响2个沟道承受载荷的分配。为使2个沟道均衡地承受载荷，2个单沟道启动摩擦力矩的差值应尽可能小。成品启动摩擦力矩(未装密封)与单沟道启动摩擦力矩的关系决定了轴承能否实现双排沟道同时承受载荷。成品启动摩擦力矩与单沟道启动摩擦力矩之比为1.3～1.7时，才能保证双排沟道同时承受载荷；比例关系超出范围则意味着双排四点接触球轴承承载能力减为单排四点接触球轴承承载能力，一旦装机会给风机带来极大隐患，当风机需要承受极限载荷时，将由于轴承的承载能力达不到设计要求而造成变桨失败。

软带是轴承承受载荷的薄弱环节。单个套圈沟道的2个软带位置应相错180°，安装运行时，在软带位置要保证相当于有1个沟道在承受载荷。

密封圈材料采用耐油的丁腈橡胶，实验室检测其使用寿命要达到20年，密封压缩量要能满足在使用寿命中，轴承的腔内工作压力保持在0.2 MPa，极限压力达到0.25 MPa。

2 轴承的制造技术

2.1 套圈的加工工艺

兆瓦级风电变桨轴承的套圈加工与普通回转支承的加工工序基本一致，但因其为双排四点接触球结构，且要保证双沟道均衡地承受载荷，故在加工上又有别于普通回转支承。其特殊性在于：所有的工艺措施都是为了保证成对合套的内、外圈沟心距一致以及单个套圈的两沟道平行度达到很高要求。因此，基于上述两点，加工中首先要通过多次高温回火最大限度地消除套圈自身在热处理和粗加工时的残余应力，以避免在加工过程中因应力释放而造成套圈的变形。关键工序精加工双沟道采取的方法有两种：一是用带电子吸盘工作台的高精度数控立车精车双沟道；二是用高精度数控立磨1次磨削双沟道。

采用带电子吸盘工作台的高精度数控立车精车双沟道，主要是利用电子吸盘工作台装夹工件，能很好地消除工件自身原有的变形对加工的影响，可以加工出高平面度的工件基准面和很好的两沟道平行度；利用机床高重复定位精度配以陶瓷或立方碳化硼刀具，加工出公差小于0.008 mm的沟道中心距和很好的沟道轮廓度，但加工时要有高精度的两沟道中心距测量设备定期进行检测。

采用高精度数控立磨1次磨削双沟道，是将两片经过同一金刚石滚轮成形修整的砂轮对内、外圈的双沟道同时进行磨削加工，既能保证沟道中心距一致的要求，又使沟道表面粗糙度降低。只是每个型号都要配备金刚石滚轮，在没有形成批量生产时，生产成本较高。采用精磨沟道方法加工沟道还需要配备轮廓仪来检测磨削试片或配备便携式轮廓仪直接检测沟道的轮廓度，并配备磁粉探伤机检测磨削裂纹。值得注意的是，采用双沟道1次磨的工艺，常常会出现加工出的沟道在测量时完全满足尺寸与精度要求，但在装配时总有1个沟道的游隙不符合要求，使得轴承在装配时需反复调整钢球规值以达到两沟道摩擦力矩和预过盈量的一致。这是因为在精磨沟道过程中，由于零件的技术要求、工艺基准的选择、机床的调整、操作手法、装夹方式和生产节奏的影响，使得相互对应装配的沟道压力角发生变化，加之钢球与沟道间为预过盈，沟道压力角的微小变化都会对游隙选配产生较大影响。

2.2 保持架的加工工艺

变桨轴承的保持架由于外形尺寸大，精度要求高，采用冲压工艺时由于框梁尺寸小，冲孔时框梁变形大，不能满足保持架的精度要求。因此，采用激光加工与机械加工相结合的方式加工兜孔，采用滚圆整形、滚挤消棱的方法进行整圆加工，使保持架达到要求的精度。

加工工艺的4个关键工序是：激光打孔、滚圆整形、滚挤消棱和精整兜孔。采用卧式激光切割机切割出兜孔，兜孔精度高且框梁不变形，并留出精整的留量；采用专用滚圆整形机床对保持架进行滚圆整形，滚压出符合要求的圆度；采用专用滚挤机消除滚圆整形工序产生的棱圆；采用专用兜孔精整机精整兜孔，以提高其尺寸精度和降低表面粗糙度。

2.3 装配工艺

在批量生产时采用钢球规值配游隙的方法既经济，又高效。选配时，通过测量沟道尺寸，按照配算零游隙的状态选配内、外圈。若是精车沟道工艺，还需测量两沟道中心距尺寸，按照沟心距尽量一致进行选配，并且使成对的内、外圈理论游隙为零。由于测量量具的测量误差，需用测量钢球对选配游隙进行校核，测量钢球的规值要比装配用钢球的最小规值小0.01～0.03 mm。测量游隙不能超过0.03 mm，否则用来计算的实测游隙值在计算过盈量时将会失真，降低准确度。根据测量的游隙值计算出保证最终两沟道过盈量相互差的装配用钢球规值，测量时各测量点的游隙相互差应足够小，若过大则表明该套轴承套圈的变形太大，需对沟道进行返修。

通过测量游隙和游隙尺寸关系的计算，选配出沟道的过盈量，装配时首先装过盈量大的沟道的钢球。在装球测量机上分别测量每个沟道的启动摩擦力矩(应在旋转磨合后进行测量)并详细记录，若2个单沟道启动摩擦力矩的差值大，就应增大启动摩擦力矩小的沟道的钢球规值，使该沟道启动摩擦力矩尽量接近或大于另一沟道启动摩擦力矩。对满装两沟道钢球测得的装配后启动摩擦力矩与该轴承的单沟启动摩擦力矩进行比较，符合比例关系的产品合格，超过比例关系的产品不合格。

安装密封条时，先用条板剪刀按外圈密封条长度不小于密封槽外缘直径计算的周长、内圈密封条长度不小于密封外圈内径直径计算的周长剪断，黏结成圈。安装前在两密封唇口之间涂上润滑脂，把密封条按入沟槽中，再用气动锤把密封条压实，压实顺序是先压实8个定位点，2个定位点之间从定位点两边向中间压实，然后用小滚轮滚匀。

3 轴承的关键检测技术

3.1 两沟道中心距的测量

在变桨轴承中，保证成套轴承相互对应的内、外圈的两沟道中心距尽可能一致，才能保证两沟道同时承载，若差值过大则变成了双排角接触球轴承，承载能力将大幅下降。两沟道中心距测量如图2所示，利用杠杆原理，当两沟道中心距偏离规定的数值时，测量杠杆围绕支点产生旋转位移，测量千分表表针随之移动，显示出偏差数值。测量时将两测量钢球的中心距调整到与套圈沟道中心距一致，用外径千分尺或测长仪校核公差，校核完成后用两测量球与两沟道充分接触，左右摆动测出最大偏差值。

图2 沟位置测量示意图

对于采用精车方法加工出的双沟道套圈，因为存在机床重复定位精度的问题，测量两沟道中心距尤为重要，只有测量准确才能保证装配的要求；对于双沟道1次磨的精磨沟道方法，测量两沟道中心距主要是为了保证车加工与磨加工的两沟道中心距一致。磨加工的两沟道中心距因为砂轮修整器的原因无法调整，而车制沟道却是每次加工都需要进行调整，只有保证车加工与磨加工沟道时两沟道中心距一致，才能避免出现偏差而造成磨加工线状接触磨削出现裂纹和修磨沟位置出现松套的现象。

3.2 轮廓度的测量

沟道的轮廓度是沟道接触强度的保证。由于变桨轴承外形尺寸大且沟道为桃心形，无法采用简单的刮色法和台式轮廓仪检测。但不检测沟道的轮廓度就不能确定数控立车沟道时程序差补和进刀机丝杠的间隙对轮廓度的影响，也不能确定金刚滚轮使用到后期时加工中轮廓度的变化,因此，采用最新开发的便携式轮廓仪对套圈沟道进行测量是比较理想的方法。

3.3 齿形的测量

套圈的齿轮由于尺寸较大，无法在仪器上测量，虽然齿轮的精度不是很高，但仅靠刀具和机床精度无法完全保证加工质量。采用样板对比法测量能够基本满足要求，方法是使用与齿轮相同参数的齿形样板，采用对研的方法制出与齿形样板接触面达90%以上的测量样板，用测量样板检查齿形，齿与测量样板接触面达75%以上。

3.4 热处理的检测

采用硬化层厚度检测仪检测沟道与齿的硬化层有效厚度。淬火通常会产生近表面细密晶粒变硬结构层，该区域区别于未淬火的基体材料结构，尤其在晶粒大小上有明显区别。淬火的近表面层对超声波是近乎透明的，而粗大晶粒的基体材料层会产生明显的超声背向散射，根据背向散射信号的幅值变化就可以判定硬化层和基体的界面变化。超声脉冲首先到达材料表面，然后扩展到硬化层和基体的界面，可以借助其经过的时间评估硬化层的深度。

3.5 游隙和启动摩擦力矩的检测

3.5.1 游隙的检测

由于常规游隙测量方法的限制，不能反映轴承的过盈量，只能作为过盈量测量的辅助手段，故过盈量要靠启动摩擦力矩最后确定。尽管游隙测量是辅助手段，仍需较高的测量精度，使用千斤顶分别单独作用进行游隙测量的方法测量精度低。使用并联的液压千斤顶同时作用则能最大限度地消除人为因素，提高游隙测量精度，其测量方法是：将轴承水平放置在3个按120°分布的支柱上，支柱同时支在外圈或内圈端面上，3个液压千斤顶放在3个支柱对应的套圈位置，千斤顶支撑头与套圈端面轻微接触，测量表架与测量表头分别支在内、外圈端面上，对测量表压出测量范围并确定基准位，开启液压进油阀门，缓慢顶起轴承，使其脱离支柱，3块测量表反映的数值的平均值即为轴承的游隙。

3.5.2 启动摩擦力矩的检测

启动摩擦力矩是变桨轴承最重要的数据之一，通常用弹簧拉力器进行测量，最成熟的测量方法是两种获得专利的检测机，一种是通过齿轮传动带动轴承旋转测量出启动摩擦力矩和旋转精度，另一种是通过连杆带动轴承旋转测量出启动摩擦力矩和旋转精度。这两种检测机虽然实现的方式不同，但测试原理相同，都是利用扭矩传感仪来测量带动轴承旋转所需的扭矩，测出轴承的启动摩擦力矩，所配置的软件都能实现在任何角度位置采集启动摩擦力矩的数据，同时还配有测量表和样棒，可以同时测量齿跳动和旋转精度。测试时采用在不同旋转角度停顿后再次启动的方法，一般测试均匀分布的6～12个位置点的启动摩擦力矩，其中最大的启动摩擦力矩为该套轴承的启动摩擦力矩。

齿轮旋转式测量结构如图3所示，优点是在测试不同型号的轴承时，轴承的直径发生变化时无需找正。不足之处是每一种模数的齿轮要配一个相同模数的测量齿轮，还要根据齿轮的中心距调整测量软件，确定力矩关系。