直驱型风力发电机组主轴承设计质量管理方法研究

薛鹏，李鑫泉，刘立峰

（中国航天万源国际（集团）有限公司，北京 100076）

直驱型风力发电机组是通过主轴承直接连接风轮和发电机转子，并利用风能驱动风轮直接带动发电机转子转动来发电的。传统直驱型风力发电机组一般只使用一个主轴承，其转动套圈与风轮和发电机转子连接，不动套圈与机舱固连，使得风力发电机组整体结构简单，安装方便。直驱型风力发电机组主轴承承受着风力载荷、风轮重量、发电机转子重量和风轮、发电机转子旋转等同时作用的集中载荷，在主轴承设计时需要考虑主轴承承受由径向力、轴向力和倾覆力矩所构成的复杂随机交变载荷。直驱型风力发电机组发电机和主轴承的外形较大，其中空结构可以使操作人员很方便地进入风轮内部工作。但是主轴承的外形大、制造难度大、价格昂贵并且一旦损坏在风机上无法更换，需要将发电机和主轴承整体从风机上拆卸下来更换，现场更换的成本很高，所以对主轴承的设计质量管理要求很高。只有通过完善和落实主轴承设计、分析计算、设计校核、试验验证和最终设计的全面设计管理，才能有效提升主轴承设计质量。

1 直驱型风力发电机组主轴承设计

1.1 主轴承结构设计

作为直驱型风力发电机组连接发电机转子与风轮的主轴承承担了轮毂和叶片重量产生的径向力和倾覆力矩，同时承担了风力对风轮作用产生的载荷，以及风轮和发电机转子旋转产生的载荷。主轴承设计主要是根据主轴承所受的载荷情况和寿命要求考虑主轴承的选型，目前直驱型风力发电机组的主轴承主要有三列圆柱滚子轴承和两列圆锥滚子轴承两种形式。主轴承一般由滚子、内套圈、外套圈、保持架、连接螺栓和密封圈等结构件组成，设计的内容主要包括：确定主轴承滚子直径、数量与长度，主轴承套圈的结构设计，保持架结构设计，径向和轴向游隙设计，紧固件选型、密封圈选型、润滑脂选型、注脂量参数等。

1.2 主轴承结构件材料的选择与技术要求

主轴承滚子和套圈材料的选择与热处理要充分考虑化学成分和热处理后从机械性能应满足技术要求。保持架一般选用高强度铜合金材料的整体保持架，慎用分体保持架和钢材料保持架。连接螺栓一般选择10.9 级高强螺栓。密封圈要综合考虑选择寿命长、耐磨性好、与润滑脂兼容性好的材料。

1.3 设计计算校核

（1）主轴承套圈的静态安全系数与疲劳寿命的计算和校核。主轴承套圈滚道的静态安全系数与疲劳寿命，应按照GL 认证要求，主轴承滚道的静态安全系数大于1.5；主轴承的疲劳寿命按ISO281 的计算方法，为135000h；按 ISO16281 计算的方法，为185000h。（2）套圈结构强度校核与加载变形的计算。通过有限元分析计算，计算出加载情况下套圈环形滚道应力分布和滚道表面变形量分布，确定滚道最大应力和最大变形量，滚道所受最大应力应小于材料的许用应力。（3）安装预紧后套圈变形量的计算与确认。利用有限元分析软件建立套圈施加螺栓预紧模型，套圈变形量的计算要考虑螺栓预紧对套圈变形量的影响，最终得到需要施加的螺栓预紧力。（4）保持架工作变形量的计算与确认。由于主轴承是轴线水平安装，主轴承保持架承受因主轴承旋转而产生的离心力以及保持架和滚子的重力。保持架在实际工作时保持轴线水平，沿垂直于地面的平面旋转，承受大部分滚子重力和旋转离心力作用，因而产生循环交变的变形，因此保持架应采用有足够强度和刚性的整体结构，同时保持架边框应有足够的厚度以保证寿命期内对耐磨性的要求。

1.4 结构设计的修正与确认

根据滚道静态安全系数计算与疲劳寿命的校核的数据，可采取“穷极法”对滚动体的直径进行逐渐增加、逐一计算，直至到满足寿命要求，最终确定滚动体直径与基本长度尺寸；根据套圈结构强度校核与加载变形的计算，确定各个套圈环形梁厚度与游隙，最终确定紧固件的预紧力。确定保持架外径与外套圈内径的间隙值的一般原则是保持架在高速旋转时的最大变形量应在保持架外径与外套圈内径间隙值的0.5～0.83 之间为宜。

通过对风力发电机组主轴承所受载荷的分析，运用有限元分析计算软件对主轴承的结构强度和刚性以及寿命进行分析计算和优化设计，从理论计算上保证主轴承20 年使用寿命的设计要求。

2 通过运行试验验证设计质量

由于目前的设计模型和一款软件都无法完全模拟和准确计算主轴承实际的运行载荷情况，加之设计所限，如果一款新型号的主轴承在批产前没有经过试验验证，即使通过了严格的设计计算，主轴承设计的质量在目前的设计条件下还是难以保证的，主轴承使用的经济风险还是非常大的。鉴于主轴承的重要性和更换的巨大成本，在设计管理中必须增加在新型号主轴承批产前，在试验台上进行模拟载荷的运行试验，通过对试验数据和试验发现问题进行分析研究，对产品设计进行再确认和再验证的环节，才有可能保证批产产品的设计质量。

2.1 载荷试验方案和试验参数选择

（1）主轴承试验方案。由于作为风力发电机组发电机转子与轮毂连接的主轴承在承受轴向力、径向力和倾覆力距的同时，主轴承内外圈还要进行相对转动，主轴承使用时属于垂直于地面安装。为了更好的模拟实际工况，在试验台上主轴承也采用垂直方式安装，将主轴承内套圈固定在试验台上，外套圈安装液压力矩加载装置和转动驱动装置。考虑到实际载荷中倾覆力矩对主轴承的影响远远大于轴向力和径向力，为便于进行试验，加载载荷主要考虑倾覆力矩和采用额定转速，通过加载油缸对主轴承施加倾覆力矩，通过回转液压驱动马达带动主轴承外环旋转。（2）确定试验加载参数。运行试验主要需确定如下参数：倾覆力矩、主轴承转速、试验周期和单位时间润滑脂注入量：选取试验参数时，综合考虑主轴承所受载荷、试验条件和试验周期：倾覆力矩可在主轴承载荷谱中按主轴承寿命20 年计算覆盖99%生命周期的倾覆力矩载荷选取；主轴承转速可按风力发电机组额定转速选取；试验周期可按主轴承载荷谱中此倾覆力矩载荷下运行时间的四分之一选取，模拟主轴承运行5 年；单位时间润滑脂注入量可先根据经验选取，在试验中根据主轴承温度调整注脂量，以保证主轴承运行时的温度不超过技术要求。

2.2 试验前对主轴承的检查

检查内容：滚道硬度、滚道淬硬层厚度、滚动体硬度、套圈调质硬度、启动力矩、径向游隙、轴向游隙、轴向跳动、径向跳动。

2.3 试验过程记录

运行过程严格按试验测试大纲进行，由控制计算机自动记录试验系统的运行状况，记录内容包括：环境温度、主轴承内外套圈温度、注脂量、液压系统压力、主轴承转速等数据，试验过程中如发现异常，应及时报警，必要时停止试验，对系统进行检查，系统调试正常后方可继续进行试验。

2.4 试验完成后对主轴承的检查

（1）主轴承整体检查。检查内容：轴向跳动、径向跳动、径向游隙、轴向游隙、启动力矩、主轴承密封情况。（2）主轴承拆解检查。主轴承拆解后，从滚道中取出适量油脂检查分析油脂成分，然后再将滚道、滚动体、保持架和密封圈清洗干净进行检查，检查内容：滚动体外观、滚道外观、滚动体与滚道接触长度、保持架外观、密封圈外观、润滑油脂杂质。

2.5 载荷运行试验常见情况和原因分析

（1）主轴承密封圈处有油脂溢出，一般原因为密封圈弹簧拉力不够或密封圈设计选型错误，导致密封效果不好，以及油路设计不好，排油不畅，导致油脂无法全部从排油口排出。（2）套圈、滚子上有压痕或剥落现象，一般原因为生产过程中的运输、安装时的磕碰、多余物进入或设计错误、生产缺陷导致强度偏弱，运行中损伤。（3）套圈挡边上的线状、点状刻痕，经磁粉探伤没有发现裂纹，一般为滚子撞击造成或主轴承安装时不正确的使用工具；经磁粉探伤发现裂纹，一般为材料或热处理缺陷导致。（4）保持架有局部高温的痕迹，一般为试验前的主轴承低速磨合时间太短，或是主轴承初始油脂添加量偏少、油路设计不合理导致油脂流动不畅，润滑效果不良等原因导致。（5）滚子、滚道和保持架中如果发现明显的裂纹、材料剥落等情况，在排除材料和生产过程中的问题后，应为设计质量问题，需对原设计进行复核复算。

3 结语

由于目前行业内还没有直驱型风力发电机组主轴承设计标准和公认可靠的设计计算方法，在设计流程管理中加入试验环节来验证设计质量就显得非常重要，建议相关企业只要有条件就要开展相关试验验证工作。直驱型风力发电机组主轴承检查分析过程中主要参照GBT-4661 滚动主轴承- 圆柱滚子，JB-T10471 滚动主轴承-转盘主轴承等标准，通过对试验后主轴承的相关技术参数、密封情况、滚动体、滚道、保持架、油脂等进行的检查并结合试验数据，分析主轴承在设计、生产和运行保障中可能存在的问题，可以有效的提高设计可靠性，并为最终决策是否采用新型号主轴承提供试验依据。