风电转盘轴承的设计

2014-07-20贾文强

机械工程与自动化 2014年4期

贾文强

（太原重工技术中心，山西太原 030024）

0 引言

风力发电机组通过吸收风能，将风能转化为机械能，机械能又转化为电能的形式实现风力发电。风力发电机组通过主传动系统、变桨系统和偏航系统的互相配合完成风能的转化工作。主传动系统主要包括主轴、增速齿轮箱、联轴器、发电机及主机架等；变桨系统主要包括轮毂、变桨轴承、变桨电机和变桨减速机等；偏航系统主要包括偏航轴承、偏航电机、偏航减速机及偏航制动盘等。其中变桨轴承及偏航轴承都为转盘轴承，是风力发电机组完成变桨及偏航最核心的机械部件，因此对风电转盘轴承进行充分的分析和了解，对于从事风电事业的机械工作人员具有重要意义。

1 转盘轴承的组成

转盘轴承的结构如图1 所示。

图1 转盘轴承的结构

1.1 套圈

转盘轴承套圈的材料一般采用42CrMo、5CrMnMo和50Mn，国内风电转盘轴承套圈材料以42CrMo为主，调质处理后，抗拉强度不得小于800 MPa，屈服强度不小于550MPa，硬度为210HB～260 HB，正火状态硬度为180HB～240HB，在风力发电机组中，对转盘轴承套圈的硬度要求会更高一些，最高可达到300HB左右。通常情况下，常温型风力发电机组要求对套圈做－20℃冲击功试验，低温型风力发电机组要求套圈做－40℃ 冲击功试验，但实际操作中，均要求对转盘轴承套圈做－40℃冲击功试验，3组平均值不小于27J，单组试验值不得小于19J。热处理后要对套圈进行探伤，绝不允许套圈内部出现过烧、白点及内裂等缺陷。

加工完成后应对套圈外露表面进行防腐处理，通常采取喷砂完后热喷锌的方法进行防腐处理，如果风力发电机组位于海边等腐蚀严重的工作环境中，必须要求防腐等级达到C4甚至C5，否则按防腐等级C3执行。

1.2 滚道

内外套圈之间有一圈滚道，滚道配合滚动体承受并传递外部扭矩及倾覆力矩，无论从加工工艺的难易程度，还是受力的复杂角度来说，滚道都是转盘轴承最薄弱的环节。据统计转盘轴承在使用中98%的损坏来自滚道的损坏，尤其是风力发电机组上应用的转盘轴承，受力复杂且尺寸较大，因此对滚道加工后的热处理有较高的要求。国内标准JB／T 2300－1999规定，滚道淬硬层深度由滚动体直径决定，硬度达到48HRC以上的表层深度h值见表1。

表1 滚道淬硬层深度 mm

由于风力发电机组中使用的转盘轴承尺寸都很大，通常滚道加工完后需淬火处理，其表面硬度要求达到55HRC～60HRC，淬硬层深度不小于5mm，为保证20年的使用寿命，在以上规定的基础上可根据实际情况及相关经验适当调整相关参数以满足实际要求，抗击磨损及防止滚道剥落。

1.3 滚动体

转盘轴承的滚动体位于内、外套圈之间，在滚道内运行，主要与滚道配合传递风载荷产生的倾覆力矩。滚动体的材料通常选用GCr15及GCr15SiMn，标准GB／T308中选用高碳铬轴承钢，其硬度值见表2（仅供参考）。

表2 滚动体硬度值

1.4 齿轮

转盘轴承与其他轴承最大的区别就是带有传动齿轮，当转盘轴承与驱动齿轮为外啮合时，齿轮加工在外套圈上；当驱动齿轮与转盘轴承为内啮合时，齿轮被加工在内套圈上。齿轮为标准直齿渐开线圆柱齿轮，齿轮的强度对转盘轴承的使用寿命产生有很大的影响，在齿轮设计过程中，为提高齿轮的抗弯曲强度和接触强度，对驱动小齿轮及转盘轴承大齿轮做正变位处理，变位量通常为＋0.5，同时需要对齿面、齿根进行淬火处理，以增强齿轮表面的耐磨性。标准JB／T 2300－1999规定淬火部位的表面硬度一般要求为50HRC～60HRC，有效层深度h（硬度≥40HRC表层深度）见表3（仅供参考）。

表3 齿轮有效硬化层深度

内外圈装配时游隙的控制也将对轴承的受力和寿命产生严重的影响。内外圈之间的游隙大小对转盘轴承的载荷分布、回转灵敏性、回转精度、振动特性等产生重要的影响，为此机械部标准JB／T 2300－1999、JG／T 66－1999、JB10705等标准都对转盘轴承游隙作了明确要求，但在风电领域，转盘轴承游隙均要求为零游隙或是稍微负游隙来提高轴承的承载能力，有效降低轴承疲劳度。

1.5 密封圈

转盘轴承密封圈形式有单唇密封圈和双唇密封圈之分，通常双唇密封圈比较受欢迎，其能很好地阻止润滑脂通过内外圈间隙溢出滚道，废弃润滑脂可以通过集油瓶回收，但是在更换密封圈时比较费力。单唇密封圈密封性远不如双唇密封圈，但是更换起来比双唇密封圈容易，自动润滑过程中，润滑脂很容易顶开单唇密封圈流出，在容易清理并对要求不高的场合可以使用。

大多数变桨、偏航轴承大都选用两个双唇密封圈，主要是防止润滑脂外流的同时也阻止外界尘埃、水汽、杂质和腐蚀性气体等进入。但有些情况下也选用单双唇密封圈混用，如图1 偏航轴承下侧密封圈采用双唇密封圈，上侧采用单纯密封圈，以便废油及时排出，内驱形式的偏航，溢出的润滑脂也可以再次对内圈齿轮进行润滑。密封圈的寿命一般为5年～7年，因此在设计时，必须考虑有足够的空间更换密封圈。维护人员在日常维护过程中应按照维护说明书定期检查密封圈的使用情况，特别是在温差较大地区，橡胶密封唇更易因老化而丧失密封性。同时还要防止太阳光直接射在密封圈上，以免密封圈过早地老化。一经发现密封圈有错位或断裂现象，出现润滑油大量外流时，应及时将其复位或更新，确保没有硬杂质进入滚道，对滚道和滚珠造成磨损。

1.6 润滑

风力发电机组上用的转盘轴承都是运行在低速重载的工况下，润滑不好时滚动体与滚道之间金属表面易发生分子熔接、滚道留下凹坑加速轴承磨损，所以必须保证滚动体要有良好的润滑，使滚动体与滚道之间形成一层保护性油膜，减少接触面间的微动磨损，降低回转阻力矩，同时应及时处理掉粘在齿面上的废弃油脂，以免沙尘等硬质颗粒粘附在润滑脂中进入啮合面，加速齿面磨损。

常用的润滑脂的种类很多，在选取润滑脂时主要考虑其使用环境和润滑性能，如果涉及到低温环境时，务必保证润滑脂在最低温度环境下能正常工作；制定合理的润滑系统操作规程，轴承注润滑脂的量和周期可以参考厂家提供的数据，根据实际情况制定符合实际工况的润滑方案；设备运转的前后，必须对其进行充分润滑，避免启动瞬间造成磨损；加注润滑脂的时候要确保润滑脂的型号和清洁度，绝对不允许不同型号的润滑脂混用，更不能使任何杂质尤其是铁屑参与润滑，以免损伤润滑部位。在有条件的情况下定期手动控制将叶片旋转360°，同时注润滑脂保证滚道内每个滚动体都能充分润滑。

2 转盘轴承的装配与维护

风力发电机组在运行过程中所受到的气动力是变化的，风速不仅大小变化而且方向也会变化，它作用在叶片上是一种变化的惯性载荷，这个载荷使叶片产生振动，叶片是用螺栓固定在变桨轴承的内圈上，叶片的振动使固定螺栓松动，因此在设计过程中，为防止因固定转盘轴承螺栓松动引起轴承位移而产生磨损，在保证螺栓的疲劳寿命情况下，选取较大的拧紧力矩值。同时根据实际情况制定实际可行的检修规定，如安装并首次投入工作的回转支承在连续运转100h后，应全面检查安装螺栓的预紧力是否符合要求，以后每连续运转500h重复上述检查，当螺栓的松动角度超过50°，要对此螺栓加以留意或更换，并对周围几条螺栓全力矩复检等。