中小型风力发电机转子轴承制造工艺研究

罗昌芬 陈 郁 刘 洪

(东方电气集团 东风电机有限公司，四川 乐山614000)

风力发电机，是一种非常典型的旋转机械。 其能量方式的转换过程为：风能转换为风轮机的动能，再经过发电机将动能转变为电能。由此可以得知，风力发电机的能量转换，均是由叶片和电机的旋转而产生的。 对于旋转机械的整个运转流程中，保持一定的同心度和较小的尺寸偏差对于整机的高效、稳定运行具有举足轻重的作用。 然而在机组的实际运行中，受到加工误差、磨损等因素的影响，电机轴的运行过程中，难免出现偏心的情况，严重时机组更有可能产生较大的噪音、振动等症状而导致事故停机，而避免该情况发生的最常用方法就是发电机轴配合合适的轴承。综上所述，采用新的工艺设备，完成轴承的一次性加工，能够确保加工精度，提高生产效率。

1 轴承加工工艺分析

1.1 轴承强度及内径的计算

轴承加工， 主要是针对其具体的结构形式和尺寸以及精度等条件，进行合理的工艺路线安排。因此可以知道，发电机转子铁芯内径的大小直接决定着轴承内径的取值。 这也是轴承选型的关键步骤之一。因为如果铁芯内径很大，当风机处于较高的飞逸转速工况时，磁极和磁轭所承受的应力会比较大；而当铁芯内径非常小的时候，转动惯量便无法满足设计要求，此时磁极极间距较小，发电机的冷却性能较差，线圈无法侧向固定也存在较大难度。

综上所述，对于风力发电机而言，轴承主要与电机转轴配合，其内径计算方程如下式所示：

式中，τ 为许用切应力；P 为发电机功率；n 为发电机转速。

假设轴承的主要失效方式为疲劳变形， 则仅考虑扭矩的影响，安全系数可由下式得出：

建立轴承3 维模型，边界条件设置按照电机轴电磁转矩计算结果设置，网格采取六面体非结构化网格，计算结果如图1 所示。

图1 轴承强度分析

1.2 加工工艺分析

由图1 所示，在轴承的加工工艺安排上，主要从以下几个方面来考虑：

（1）轴承长度与发电机轴的长度L 相等，轴承的内表面与电机轴配合。

（2）由于风力发电机转子的运转速度n 一般比较快，所以表面精度越低，疲劳屈服极限越小，变形量越大，故轴承内表面必须保持一个较高的精度。

（3）待产品加工成型后，内表面需进行淬火、渗碳等处理，以提高强度。

2 误差分析

通常情况下， 风力发电机的轴承和电机轴之间的配合为过盈配合。在加工过程中，该步骤的实现过程为：（1）对轴承进行加热，使其内径增大；（2）待电机轴穿入之后，再对轴承冷却，继而完成整个配合过程。 在这个环节中，如若材料选择不合理，或是温度控制不理想。 都将会导致配合后的轴承变形量增大，从而影响其工作性能。

3 新工艺方案的提出

由以上误差分析可知，若采用传统的工艺加工方式，其累计误差较大。因此，本文拟采取一种新的工艺方式进行加工，即开发一套新的工艺加工设备。 其操作步骤为：（1）制造部件模具，将转子轴和轴承尺寸修改到恰好能过盈配合的状态，这样做的好处是，减少了轴承内径加工的环节（即将毛坯件先压入再加工）；（2）工艺夹具可以采用液压形式的，类型为楔形，油压；（3）加工工具驱动装置可采用伺服电机2套（如图2 所示）。 因为伺服电机是靠信号转换进行工作，一旦加工过程出现尺寸、精度等偏差，信号反馈至首端，继而电机自动调整电压，改变介质油的体积和压强，从而达到调整加工精度的目的。

图2 工艺装置结构布置

4 轴承参数测试

按照上述方法，对某小型风力发电机的轴承进行加工。 已知机组的部分参数条件为：功率P=2MW，风轮直径D=60m，额定风速度v=12m/s，功率控制形式为变速变浆矩。

完成风力发电机轴承的工艺加工流程后。 对产品进行质量检测，其结果如下：

（1）少了更换夹具加工的流程，且该设备是以转子铁芯内圆为基准，可两端同时进行，故轴承同轴度比较高；

（2）采用先配合再加工的形式，能够有效保证尺寸偏差在允许范围内；

（3）加工出的风力发电机的转子两个轴承同轴度为0.01mm，轴承和转子的同轴度为0.02mm，完全满足设计要求。

5 结论

对于风力发电机而言，电机轴和轴承之间的尺寸偏差、变形量以及同轴度标准的高低，是决定机组性能好坏的一个关键性问题，加工出的产品能否和设计图纸保持一致， 主要取决于工艺路线的合理安排。本文在对发电机轴承的工艺编排中，通过开发新的设备，改变了传统加工方式的弊端，有效地提高了产品的加工精度，为今后该类型的轴承加工方式，探索出了一个行之有效的方法。

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