风机主轴轴承及选配

　　一、风电主轴轴承配置形式
　　风力发电机有多种不同的设计型式——水平轴或竖直轴、转子逆风或顺风、带齿轮箱或不带齿轮箱。
　　传统的风力发电机的传动链通常由主轴、齿轮箱(增速箱)和发电机组成。每一个大型风力发电机中都至少要用到5个大型滚动轴承，包括主轴轴承、偏航变桨轴承以及增速箱轴承。根据不同类型的风力发电机的结构和使用要求，大型轴承的结构形状也会有所不同。下表列出了轴承在风电机组不同部件中的具体应用：

　　如今安装的所有风力发电机中，75%～80%均采用主轴轴承支撑原理，也就是主轴承的内圈安装在旋转的主轴上。主轴起支承轮毂及叶片，传递扭矩到增速器的作用，主轴轴承主要承受径向力，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，所以要求具有良好的调心性能、抗振性能和运转平稳性。在主轴上，采取双轴承的配置是比较常用的一种轴承配置形式，采用的轴承类型根据设计要求的不同而有所不同，但较为常见的轴承配置为调心滚子轴承或者圆锥滚子搭配圆柱滚子轴承的配置，大功率风力发电机采用大锥角双列圆锥滚子轴承或三列圆柱滚子轴承。
　　1.1两点支撑
　　此种设计为固定端/浮动端轴承支撑的两点支撑形式是最典型的。轴承被安装在两个独立的或一个共同的轴承座内，转子端或齿轮箱端轴承都可以设计为固定端轴承。第一种形式提供了径向力和轴向力之间更为适合的比例，而且主轴的结构会导致固定端轴承的解决方案直径较大。采用第二种形式时，传递轴向载荷的轴肩的位置在主轴应力方面表现得更为有利，因为它避免了前轴承位置的台阶。只有转矩进入齿轮箱，在一定程度上保护了齿轮箱，但价格较贵（多一个轴承和轴承座，主轴也较长）。
　　1.2三点支撑——带轴承座的单独的固定端轴承
　　采用三点支撑，一点是固定端轴承而另外两点是齿轮箱内的转矩支撑轴承。在此，齿轮箱输入轴轴承作为浮动端轴承。固定端轴承相对于齿轮箱输入轴的浮动端轴承的同轴度以及轴的偏移量，是选择轴承类型时的决定因素。固定端轴承采用单独的轴承座，推荐使用自调心轴承（例如调心滚子轴承）。另外重要的一点是，要在安装时确保固定端轴承位置和浮动端轴承位置之间的正确的距离。轴向力一定要作用在固定端轴承上。采用三点支撑，作用在浮动端轴承上的力显示了载荷对齿轮箱内部的影响。两点支撑的主轴承布置中承受这个载荷的是那个真正的浮动端轴承。因此，两点支撑显示出了它对振动等其他因素影响具有的优势。
　　1.3一点式——整合在齿轮箱内的固定端轴承
　　有的风力发电机的主轴轴承是直接整合在齿轮箱内的。这种设计的优点之一是：由于固定端轴承和浮动端轴承使用同一个箱体，使得保持它们的同轴度更为容易。因此，在这种情况下，使用一个双列圆锥滚子轴承作为主轴轴承也是可能的。而且，齿轮箱油也可以用来润滑主轴轴承。在任何情况下，为了使主轴轴承得到必须的支撑，轴承座和机体间可靠的连接是必须要保证的。

　　使用单个轴承来承受径向载荷、轴向载荷以及力矩载荷需要轴承制造商和风力发电机制造商共同的全面专业的技术水平。最初使用单个轴承的风力发电机采用来自回转支承领域的多列圆柱滚子轴承，这些风电设备的输出功率不超过2MW。因为风能领域的轴承支撑设计的工作寿命是20年，所以在此强烈推荐使用保持架。周围结构零部件的尺寸和形状必须在计算中加以考虑，最好是通过有限元分析方法。用这种方法，考虑到了零部件的变形和存在于轴承内部的载荷分布。我们设计的目标是达到轴承在使用时尽可能小的内部游隙，这样滚动零部件间的相对移动就会达到最小。
　　当使用主轴轴承支撑结构时，几乎所有的结构都毫无例外地使用了调心滚子轴承。事实上，采用单独轴承座的结构，由于对圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承来说，轴承位置处轴的角位移太大了，所以采用调心滚子轴承是必须的。在风力发电机应用中，径向力和轴向力的比值对采用调心滚子轴承相对来说是不利的，因此选择最适合的轴承系列非常必要。尤其对调心滚子轴承来说，保证充分的润滑——合适的润滑剂、足够的润滑量和再润滑，也是很重要的。在使用宽系列的轴承时，由于旋转主轴的角度偏斜会导致摩擦腐蚀，必须采用紧的配合，这一点也是非常重要的。浮动轴承必须补偿它相对于固定轴承位置的距离变化（例如由于热膨胀产生的）。圆柱滚子轴承由于在轴承内部能够补偿这种变化，所以它们是理想的浮动轴承。其他类型的轴承采用滑动配合来实现，在这里是外圈滑动。如果在此采用调心滚子轴承，经常可以选用具有较低额定载荷的轴承，在这种情况下，轴承外圈的滑动通常是不会发生的。只要固定轴承具有最小的轴向游隙，浮动轴承内部的游隙一般是足够的。
　　单个轴承的解决方案在大约3MW级以上的风力发电机中出现的越来越多。整合概念的运行时间最长的3MW风电设备装有位置非常接近齿轮箱的、承受所有来自转子的载荷的主轴承。还有其他的3～5MW的设备也采用这种轴承配置。把传统主轴轴承概念应用到多兆瓦级的风电设备中通常也是可行的，例如采用两个主轴轴承——两个调心滚子轴承。另外一种配置结构是采用一个预设过游隙并带有能使安装简化的特殊结构的双列圆锥轴承。浮动端包含一个设计有避免应力集中结构的圆柱滚子轴承。作为一种规律，那些在小型风电设备方面有很好经验的公司在新的大型风电设备上也采用与小型风电设备相同的基本布置，这一点对那些使用轮毂轴承支撑原理的风电设备制造商也是适用的。
　　二、市场及供应
　　风电机组中偏航轴承和变桨轴承的技术门槛相对较低，而主轴轴承和增速器轴承的技术含量较高，发电机轴承基本上为成熟的通用产品。因此，目前国内风电轴承企业的产能主要集中在偏航轴承和变桨轴承上，3MW以下风电机组配套轴承均可批量生产，国产风电轴承逐渐形成了规模化、系列化生产，主要企业有瓦轴、天马、洛轴、徐州罗特艾德以及大冶轴、轴研科技、方圆支承、上海联合和西北轴等，国产替代率已达到80%以上，年产能已达4.5万套以上，不仅满足了国内的需求，而且也成为国外一些风电设备厂家的采购渠道；但对主轴轴承和增速器轴承，基本还是依靠进口，只有部分企业初步介入，尚处于研制阶段。
　　国际上著名风电轴承公司主要有德国RotheErde(罗特艾德)、法国Rollix(劳力氏)、瑞典SKF、德国Schaeffer(舍弗勒)、美国Timken和日本NSK等，在全球市场占据统治地位。SKF、Schaeffer和Timken等还与国内风电主机企业签订了战略联盟关系，全面供应配套风电轴承。
　　风电产业的主要轴承供应商正在世界的不同地区提高它们的生产能力，主要是跟随风电机组制造商及其部件的供应商转到了中国和印度。对于轴承供应商来说，如同其他任何风能产业的部件一样，主要问题在于及时发现风电机组制造商对技术数据要求的变化和对具体型号的要求。下表列出的是根据制造商的生产经验而划分为三种类别的主要制造商。

　　注：*代表能够为风能产业提供全线产品的供应商。
　　在前面上表中列出的18个供应商中，只有5家公司（两年前是3家公司）能够提供目前风电机组所需的全部轴承，根据市场调查，只有30%—40%的供应商能够提供发电机、齿轮箱和风轮轴的大号轴承。这个帮助解释了齿轮箱和主轴轴承的供应局限已经成为整个风电产业里的一个发展瓶径。这个瓶颈是否被打破将主要影响到国际风电发展的速度。然而，随着风电机组尺寸的增加和同时对轴承质量要求变得更加严格，轴承短缺的形势不可能在今后的两年里或者甚至更长的时间里得到解决。
　　三、主轴轴承选配
　　由于风场一般都在偏远地区，风机的运输和吊装都十分困难，一旦发生早期故障，维修费用十分昂贵。疲劳破坏是滚动轴承典型的失效形式。对于要求20年使用寿命和高可靠性的风电轴承来说，必须应用抗疲劳制造技术进行生产，使其具备很高的疲劳寿命。
　　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。风电机组制造企业在选择风电轴承供货厂家时，不仅要按常规考察供货厂家的经济规模、管理水平、质量保证能力和产品性价比，更要考察其在风电轴承生产中抗疲劳制造技术研究和应用的情况。不同厂家生产的同一型号的风电轴承，从外表上看几乎一模一样，但内在质量、寿命和可靠性有时却相差甚远。
　　国家发改委于2007年首次发布了风力发电机轴承标准，其中对传动系统轴承的结构型式与外形尺寸做出了规定，风电企业可据此选配主轴轴承。
　　在此简列传动系统轴承的技术要求：
　　滚动体、轴承套圈采用主轴轴承的套圈和滚子采用电渣重熔冶炼的高碳铬轴承钢ZGCrl5或ZGCrl5SiMn制造，其热处理质量应符合ZJBJ11038-1993《军用高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理质量要求》，也可采用性能相当或更优的其他材料；
　　尺寸公差和旋转精度应符合GB/T 307.1-2005《滚动轴承向心轴承公差》和GB/T 307.4-2002《滚动轴承推力轴承公差》的规定；
　　配合表面和端面的表面粗糙度按GB/T 307.3-2005《滚动轴承通用技术规则》的规定；
　　游隙应符合GB/T 4604-2006《滚动轴承径向游隙》的规定；
　　其他要求：轴承零件不应有白点、夹杂，零件表面不应有裂纹、锈蚀、烧伤、磕碰和软点等缺陷，其他特殊要求，可由制造商与用户协商确定。
　　滚动轴承选配的主要任务是将内圈、外圈和滚动体进行尺寸分选，通过选配以保证装配后具有满足要求的径向游隙或宽度。滚动轴承装配过程中的一个主要工序是选配合套工序，首先要将套圈滚道直径尺寸选别分组，然后将各种组别的内圈、外圈及滚动体按轴承要求的游隙或宽度公差配合起来成为“一套”轴承。
　　在轴承套圈的加工过程中，由于种种原因，会使滚道尺寸过于分散或公差带中心偏移，甚至于会超出公差带的范围，这些问题都会降低配套率。为此，在配套前，应对库存轴承套圈进行初选，掌握其滚道尺寸的情况，并根据滚动体的尺寸情况，及时向磨工作业区提出配套零件内圈或外圈)加工公差的订制单。磨工作业区在接到公差订制单后，应严格按照订制公差尺寸进行加工。这样，就可以提高轴承装配的配套率。
　　选别分组就是逐个测量配套套匾的滚道直径的实际尺寸偏差，以相近的偏差尺寸为一组，而把一批零件分为若干组。分组尺寸差的大小以径向游隙公差的大小为依据。一般，套圈的选别尺寸差以按小于径向游隙公差的三分之一进行分组为宜。从配套精度考虑，分组差越细越好，但由于工作场地的条件限制，分组差也不能太细小。在实际装配中，初选时多分组；配套选别时，多按0.002mm，或0.005mm分组。
　　影响滚动轴承径向游隙或宽度的因素主要是内、外套圈滚道的直径偏差及滚动体的直径偏差等。由于滚动轴承工作的重要性，使得对其游隙值或宽度(高度)公差有严格要求。受加工因素等的影响，滚动轴承装配时，除个别具有可分离套圈的轴承(如单列圆锥滚子轴承的外圈、圆柱滚子轴承的内圈)采用互换性的装配方法外，不能采用可互换的装配方法，而只能采用选配的方法。选别时，轴承套圈在选别仪器上应旋转一圈以上，以便测出滚道的直径变动量，然后按平均直径分组。
　　轴承套圈内、外滚道表面及滚动体表面在终磨和最后超精研加工过程中，受机床精度、操作者的技术水平、零件的材质、工卡量具的质量、测量误差、切削规范的选用、生产的环境等多种因素影响，每批产品中各个零件之间的尺寸偏差互有差别。尺寸都在一定范围内波动，而尺寸集中在中间值较多、接近尺寸极限较少。这种尺寸偏差分布现象符合正态分布曲线，见图1-3。正态分布的特点与摆在装配工作台上分选完的套圈相似，中间尺寸套圈较多，而两端尺寸数量极少，套圈摆放的高度中间高两端低。

　　在正常工艺条件下，内、外套圈滚道直径尺寸及滚动体直径尺寸的正态分布曲线，如图1-4所示。

　　在满足一定条件下，把图1-4中的尺寸分布划分成1、2、3、4、5、6……小区间，将小区间面积相等的区域分别对应起来进行配合，如用外圈滚道尺寸图中的，与内圈、滚动体尺寸图中的5相配合，达到最高的合套率，这就是轴承选配的基本原理。
　　目前，主轴轴承主要有圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、2-3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。在选配滚子轴承时，还应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。
　　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。因此在设计选型时就应考虑轴承游隙对其寿命的影响。