風(fēng)電變槳軸承摩擦力矩的測量

劉靜

(洛陽LYC軸承有限公司 技術(shù)中心, 河南 洛陽 471039)

風(fēng)電變槳軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的重要部件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在距地面60～70 m甚至是100 m左右的高空，安裝、拆卸非常困難，要求軸承的壽命要與機(jī)組壽命相同，因此軸承必須具有非常高的可靠性，一般要求壽命為20年以上。而且風(fēng)電軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在裝機(jī)試驗(yàn)之前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)和測試，以確保軸承設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確無誤。

由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)可知[1-2]，風(fēng)電變槳軸承的外圈和風(fēng)電機(jī)組的輪轂相連，內(nèi)圈與風(fēng)電槳葉連接，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，變槳減速電動(dòng)機(jī)通過主軸上連接的小齒輪與變槳軸承的內(nèi)齒圈嚙合，按照電控系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)調(diào)整槳葉的迎風(fēng)角度，變槳軸承工作時(shí)可在±55°30′的范圍內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)。風(fēng)力作用在槳葉上產(chǎn)生的傾覆力矩、軸向分力、徑向分力和槳葉自重等產(chǎn)生的軸向載荷全部作用在變槳軸承上。因此，對(duì)風(fēng)電變槳軸承的摩擦力矩啟動(dòng)值及瞬時(shí)值的測試與分析，是判斷軸承性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。

1 軸承摩擦力矩的測試原理

1.1 摩擦力矩試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)

采用自行研制的能模擬風(fēng)電變槳軸承使用環(huán)境和工況的風(fēng)電軸承試驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)及組成如圖1所示。

1—變頻減速電動(dòng)機(jī)；2—扭矩傳感器；3—測試軸承；4—加載臂；5—軸向加載油缸；6—徑向加載油缸；7—支撐小車圖1 風(fēng)電變槳軸承試驗(yàn)機(jī)簡圖

1.1.1 變頻減速電動(dòng)機(jī)

變頻減速電動(dòng)機(jī)通過花鍵軸與扭矩傳感器連接，直接測量并輸出實(shí)際扭矩值。花鍵軸將扭矩傳遞至一組正交錐齒輪，帶動(dòng)小齒輪(根據(jù)風(fēng)電機(jī)組變槳電動(dòng)機(jī)主軸上連接的小齒輪的參數(shù)加工)

旋轉(zhuǎn)，由小齒輪帶動(dòng)變槳軸承的內(nèi)齒嚙合傳動(dòng)。變槳軸承的外圈和加載臂通過高強(qiáng)度螺栓連接，加載臂由2輛支承小車支承，末端安裝徑向油缸和軸向油缸。試驗(yàn)機(jī)不工作時(shí)，加載臂通過小車支承，工作時(shí)加載臂懸空。

變頻減速電動(dòng)機(jī)功率為5.5 kW，轉(zhuǎn)速范圍為0～3 r/min，可實(shí)現(xiàn)變頻無級(jí)調(diào)速。通過加載臂末端的徑向油缸對(duì)軸承施加傾覆力矩和徑向分力，軸向油缸施加軸向分力并通過加載臂的重量模擬槳葉的重力，從而模擬出槳葉的實(shí)際使用工況。

1.1.2 扭矩傳感器

扭矩傳感器是試驗(yàn)機(jī)非常重要的部件。其原理是將專用的測扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應(yīng)變橋，向應(yīng)變橋提供電源測得該彈性軸承受扭矩的電信號(hào)，再將該應(yīng)變信號(hào)放大，經(jīng)過壓頻轉(zhuǎn)換得到與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。

系統(tǒng)的能源輸入及信號(hào)輸出由2組帶間隙的特殊環(huán)型變壓器承擔(dān)，實(shí)現(xiàn)無接觸的能源及信號(hào)傳遞功能。扭矩傳感器輸出的頻率信號(hào)在零點(diǎn)時(shí)為10 kHz，正向旋轉(zhuǎn)滿量程時(shí)為15 kHz，反向旋轉(zhuǎn)滿量程時(shí)為 5 kHz，即滿量程變量為5 000個(gè)。扭矩傳感器精度可達(dá)±0.2%～±0.5%。由于傳感器輸出為頻率信號(hào)，無需A/D轉(zhuǎn)換即可直接送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2 測量原理

假設(shè)與變槳軸承相連接的小齒輪齒數(shù)為Z1、轉(zhuǎn)速為n1，被測變槳軸承齒數(shù)為Z2、轉(zhuǎn)速為n2，傳動(dòng)的一對(duì)正交錐齒輪的傳動(dòng)比為1∶1，則Z1/Z2=n2/n1。通過與變頻減速電動(dòng)機(jī)相連接的扭矩傳感器可以測試出驅(qū)動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)扭矩T1(即扭矩傳感器上的輸出值)，設(shè)被測軸承的摩擦力矩為T2，則有T1/T2=n2/n1,由此可得T2=(T1Z2)/Z1。

將變槳軸承安裝在軸承試驗(yàn)機(jī)上，開啟工控機(jī)，在人機(jī)界面上輸入需要模擬的徑向和軸向油缸的壓力及時(shí)間，啟動(dòng)液壓缸模擬加載最大可達(dá)4 000 kN·m的傾覆力矩和徑向分力，同時(shí)加載最大可達(dá)800 kN的軸向分力，再啟動(dòng)變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及扭矩傳感器工作。此時(shí)顯示器上可顯示被測軸承的加載曲線和摩擦力矩曲線，顯示在模擬加載狀況下的啟動(dòng)摩擦力矩及即時(shí)摩擦力矩值。在試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行過程中，注意觀測軸承在試驗(yàn)過程中的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性及軸承內(nèi)滾動(dòng)體的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

2 軸承摩擦力矩測量過程

將試驗(yàn)軸承的內(nèi)圈與試驗(yàn)機(jī)加載臂連接，外圈固定不動(dòng)，通過徑向液壓缸將最大4 000 kN·m的傾覆力矩逐步施加在加載臂上，通過軸向液壓缸在變槳軸承上施加800 kN的軸向力，通過工控機(jī)測試軸承的啟動(dòng)與旋轉(zhuǎn)摩擦力矩，并分析對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 空載試驗(yàn)

將風(fēng)電變槳軸承安裝在風(fēng)電軸承試驗(yàn)機(jī)上，在不安裝加載臂的情況下(即未對(duì)軸承施加傾覆力矩)測試軸承的啟動(dòng)摩擦力矩值。在軸承圓周上均勻分出6個(gè)測試點(diǎn)，分別記錄啟動(dòng)摩擦力矩值(表1)，并觀測軸承在旋轉(zhuǎn)過程中的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。

表1 空載啟動(dòng)摩擦力矩值

2.2 加載試驗(yàn)

將加載臂與變槳軸承安裝好后，利用加載油缸對(duì)變槳軸承進(jìn)行加載試驗(yàn)，對(duì)變槳軸承逐次分別加載676，1 352，2 028和2 470 kN·m的傾覆力矩，同時(shí)加載800 kN的軸向力，分別測試軸承在各種傾覆力矩和軸向力作用下的啟動(dòng)摩擦力矩值。同樣，在軸承圓周上均勻分出6個(gè)測試點(diǎn)，記錄測得的啟動(dòng)摩擦力矩值見表2。同時(shí)，記載變槳軸承在旋轉(zhuǎn)中的即時(shí)摩擦力矩值，并觀測軸承在旋轉(zhuǎn)過程中的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。

表2 加載啟動(dòng)摩擦力矩值

圖2所示為變槳軸承在旋轉(zhuǎn)過程中的即時(shí)摩擦力矩值，記錄了變槳軸承順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)加載676 kN·m傾覆力矩后，20 min內(nèi)的即時(shí)摩擦力矩。由圖2可見，摩擦力矩在3 335.4～3 680.6 N·m范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為3 528.7 N·m。

圖2 676 kN·m傾覆力矩旋轉(zhuǎn)摩擦力矩圖

2.3 軸承檢測

軸承檢測是根據(jù)用戶的要求，對(duì)變槳軸承的外觀尺寸和軸承質(zhì)量等項(xiàng)目進(jìn)行檢測，這些檢測項(xiàng)目都會(huì)對(duì)軸承的摩擦力矩產(chǎn)生一定程度的影響。在試驗(yàn)前、后各進(jìn)行一次檢測，主要目的是檢測變槳軸承在試驗(yàn)后是否仍能達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，是否滿足客戶的技術(shù)需要。需要檢測軸承各零件參數(shù)，包括內(nèi)、外溝道硬度及接觸狀況，齒面嚙合狀況，鋼球圓度及外觀，保持架的摩擦及磨損狀況，密封圈唇口的磨損及變形狀況，內(nèi)、外圈的端面硬度等。圖3為變槳軸承試驗(yàn)后的外圈溝道和齒面外觀質(zhì)量。

圖3 試驗(yàn)后變槳軸承的溝道和齒面質(zhì)量

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，不管是空載啟動(dòng)，還是加載不同傾覆力矩時(shí)，被測軸承圓周面上6個(gè)測點(diǎn)的摩擦力矩均有較大差異。而進(jìn)行長時(shí)間旋轉(zhuǎn)測量時(shí)，即時(shí)摩擦力矩會(huì)隨著時(shí)間的變化而逐步減小并趨于穩(wěn)定。

經(jīng)分析可知，風(fēng)電變槳軸承的摩擦力矩與其承受的傾覆力矩成一定的線性關(guān)系，加載在變槳軸承上的傾覆力矩越大，軸承承受的摩擦力矩越大。但當(dāng)傾覆力矩增大到一定程度后，摩擦力矩會(huì)逐漸減小并趨于穩(wěn)定，僅在小范圍內(nèi)跳動(dòng)。由于試驗(yàn)采用新加工的軸承，剛開始啟動(dòng)時(shí)內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、潤滑脂和保持架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不會(huì)很好，會(huì)促使摩擦力矩增大。但隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加，各零件間的相互運(yùn)動(dòng)會(huì)逐漸趨于平穩(wěn)，摩擦力矩也會(huì)隨之逐漸穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

風(fēng)電變槳軸承的摩擦力矩是檢測軸承是否合格的重要指標(biāo)，其大小與軸承的裝配狀況，軸承的套圈、滾動(dòng)體、保持架的加工質(zhì)量，密封狀況、密封圈的加工質(zhì)量和材質(zhì)，潤滑脂的種類以及注入量都有著很大的關(guān)系。

采用軸承試驗(yàn)機(jī)測量變槳軸承的摩擦力矩可以研究風(fēng)電軸承摩擦力矩的變化，以及各種工況對(duì)風(fēng)電變槳軸承的影響，對(duì)變槳軸承的設(shè)計(jì)與加工制造提供了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可作為工藝方法驗(yàn)證和改進(jìn)的重要依據(jù)。