大功率海上風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部位軸承選型與技術(shù)分析

王慧

（鐵姆肯（中國(guó)）投資有限公司，上海 200030）

0 引言

在多兆瓦級(jí)的海上風(fēng)電領(lǐng)域，業(yè)主在對(duì)建造風(fēng)電場(chǎng)與風(fēng)電機(jī)組的選擇方面，會(huì)更多關(guān)注所選品牌的可靠性。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，能否避免昂貴的突發(fā)故障的維護(hù)——比如極端地通過海裝與吊裝設(shè)備更換齒輪箱——對(duì)這一點(diǎn)的考慮成為能否實(shí)現(xiàn)海上投資盈利的關(guān)鍵因素[1]。當(dāng)然，供應(yīng)鏈服務(wù)能力、 采購(gòu)及建造成本、后期維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本等，也是不可或缺的關(guān)注因素。很多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，設(shè)計(jì)初期的方案確定與選型會(huì)對(duì)上述因素產(chǎn)生巨大的影響，從而主軸支撐軸承的選型，乃至齒輪箱關(guān)鍵位置的軸承選型，都會(huì)圍繞可靠性、采購(gòu)成本以及易于維護(hù)等方面，而出現(xiàn)新的選型趨勢(shì)[2]。

1 主軸軸承結(jié)構(gòu)趨勢(shì)與特點(diǎn)分析

風(fēng)電機(jī)組的主軸軸承是風(fēng)電轉(zhuǎn)動(dòng)支撐的關(guān)鍵部件，會(huì)承受來自于輪轂中心的交變載荷與扭矩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，而達(dá)到發(fā)電的目的。圖1是對(duì)風(fēng)電發(fā)展至今，主軸軸承選型方案的統(tǒng)計(jì)與趨勢(shì)概括。

由圖1的統(tǒng)計(jì)可以看出，對(duì)于大于等于5MW的海上風(fēng)電機(jī)組，雙支撐單列圓錐滾子軸承與單支撐雙列圓錐滾子軸承已經(jīng)成為直驅(qū)、混合和雙饋型風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的主要軸承選型類型。

對(duì)比單支撐雙列圓錐滾子軸承與雙支撐單列圓錐滾子軸承兩種支撐方式，單支撐雙列圓錐滾子軸承采用單個(gè)雙列圓錐滾子軸承支撐主軸，而雙支撐單列圓錐滾子軸承，則指兩個(gè)單列圓錐滾子軸承采用背對(duì)背的方式跨裝，共同支撐主軸，如圖2所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，雙支撐單列圓錐滾子軸承具有如下特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)方面，雙支撐單列圓錐滾子軸承安裝預(yù)緊量可調(diào)，即：通過精確測(cè)量、計(jì)算與調(diào)整，直接達(dá)到理想的裝配預(yù)緊量，從而優(yōu)化兩列圓錐滾子軸承的承載區(qū)；

（2）由于兩軸承具有一定的跨距，配以圓錐滾子軸承背對(duì)背的安裝方式，大大增加了軸承兩個(gè)有效支撐點(diǎn)的距離。從而，雙支撐圓錐滾子軸承提升了整個(gè)主軸支撐的結(jié)構(gòu)剛度；

（3）根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，雙支撐單列圓錐滾子軸承的游隙調(diào)整可以在一定范圍內(nèi)補(bǔ)償軸和軸承座尺寸偏差的影響，而在單支撐圓錐軸承結(jié)構(gòu)中，由于軸承的預(yù)緊量在軸承設(shè)計(jì)選型與制造過程中已經(jīng)確定，此類尺寸偏差會(huì)對(duì)軸承游隙產(chǎn)生很大影響，甚至直接影響軸承的使用性能；

（4）雙支撐單列圓錐滾子軸承在相同兆瓦級(jí)別的風(fēng)電機(jī)組中，可以減小軸承的尺寸；軸承本身成本與其他兩種軸承類型相比，有更好的性價(jià)比，圖3 是關(guān)于主要軸承類型的成本定性比較。

從圖3可以看出，從軸承本身角度，雙支撐單列圓錐滾子軸承在目前幾大類軸承選型中具有最佳的成本優(yōu)勢(shì)。除此之外，雙支撐單列圓錐滾子軸承由于其實(shí)際支承作用點(diǎn)距離大于軸承物理距離，可以縮小主軸的長(zhǎng)度，而這對(duì)主軸、機(jī)艙及其他結(jié)構(gòu)件的重量降低與成本降低的作用也不可低估。

至今，雙支撐單列圓錐滾子軸承，已被很多知名的風(fēng)電設(shè)備制造商在海上風(fēng)電5MW及以上風(fēng)電機(jī)組中選擇。

2 齒輪箱行星架軸承選型分析和技術(shù)特點(diǎn)

如圖4所示的行星架支撐軸承，合適的行星架軸承選型，可以達(dá)到以下效果：

（1）減小輪轂中心載荷對(duì)齒輪箱的影響；

（2）提升行星輪系的結(jié)構(gòu)剛度；

（3）改善行星輪系的嚙合精度。

目前，在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱中，行星架位置軸承選型主要以圖5滿裝的圓柱滾子軸承及圖6面對(duì)面跨裝的單列圓錐滾子軸承為主。

圖1 風(fēng)電機(jī)組主軸軸承類型與功率的對(duì)應(yīng)

圖2 雙支撐單列圓錐滾子軸承支撐示意圖

圖3 風(fēng)電主軸軸承成本趨勢(shì)

采用滿裝的圓柱滾子軸承作為行星架支撐，會(huì)有如下特點(diǎn)：

（1）軸向浮動(dòng)會(huì)導(dǎo)致軸承滾子的軸向串動(dòng)，滾子與滾道的軸向竄動(dòng)摩擦?xí)?dǎo)致軸承滾道擦傷，從而導(dǎo)致軸承先期損傷。尤其是在潤(rùn)滑不良的情況下，加上圓柱滾子軸承不能滿足輕載要求，存在徑向打滑，擦傷會(huì)成為主要的軸承損壞模式；

（2）徑向游隙會(huì)對(duì)行星架，行星輪及內(nèi)齒圈與軸承座的同心度產(chǎn)生一定影響，影響整個(gè)行星輪系的正常嚙合；

（3）齒輪也可能軸向移動(dòng)，有刮擦與磨損的風(fēng)險(xiǎn)。

與之對(duì)應(yīng)的是，采用面對(duì)面跨裝的圓錐滾子軸承，則會(huì)：

（1）安全地將軸向推力傳遞到齒輪箱扭力臂，不會(huì)對(duì)行星架軸承帶來?yè)p傷；

（2）預(yù)緊系統(tǒng)可保持行星架、行星輪及內(nèi)齒圈與軸承座的同心度；

（3）預(yù)緊限制齒輪軸向移動(dòng)，可防止齒輪刮擦與磨損。

正是由于上述特點(diǎn)，面對(duì)面跨裝的圓錐滾子軸承已成為經(jīng)歐洲知名設(shè)計(jì)公司實(shí)踐、試驗(yàn)和分析論證的行星架標(biāo)準(zhǔn)軸承選型，也是目前全球3兆瓦及以上級(jí)成熟機(jī)型的主流選擇。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)具備成熟的安裝工藝與操作流程，使配對(duì)圓錐滾子軸承達(dá)到合適的預(yù)緊量，從而保證整個(gè)行星輪系的剛度[3]。

3 圓錐滾子軸承在行星輪的應(yīng)用與集成式設(shè)計(jì)分析

行星輪系從一級(jí)變?yōu)閮杉?jí)是目前多兆瓦風(fēng)電機(jī)組傳統(tǒng)齒輪箱設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)，行星輪軸承的選型與現(xiàn)場(chǎng)損傷分析也成為主要關(guān)注點(diǎn)，例如，行星輪外圈的跑圈。同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸、重量以及功率傳遞密度的關(guān)注，也使得行星輪的集成性設(shè)計(jì)——即無外圈設(shè)計(jì)，成為大功率齒輪箱行星輪設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)。圖7集成的圓柱滾子軸承與圖8集成的雙列圓錐滾子軸承是目前行星輪的主要軸承選型方案[3]。

集成的圓柱滾子軸承，具有如下特點(diǎn)：

（1）永久避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的軸承外圈跑圈；

（2）四列軸承安裝游隙不均容易導(dǎo)致行星輪嚙合過程中的偏載。

與之對(duì)應(yīng)的是，預(yù)緊的雙列圓錐滾子軸承用在集成性設(shè)計(jì)中，除了可以永久避免外圈跑圈之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)：

（1）提升整個(gè)行星輪系統(tǒng)的剛度；

圖4 行星架軸承示意圖

圖5 滿裝的圓柱滾子軸承

圖6 面對(duì)面跨裝的圓錐滾子軸承

（2）消除由于軸承游隙不均帶來的偏載。

上述兩種方案在行星輪設(shè)計(jì)中均被采用，并集成的雙列圓錐滾子軸承行星輪有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)選型、加工制造、裝配調(diào)整流程，已經(jīng)成為某些知名齒輪箱公司的標(biāo)準(zhǔn)行星輪選型。

4 結(jié)論

圖7 集成的圓柱滾子軸承

圖8 集成的雙列圓錐滾子軸承

海上風(fēng)電機(jī)組一旦出現(xiàn)故障，高昂的維修成本會(huì)成為主要的障礙。海上風(fēng)電的發(fā)展需要有可靠的風(fēng)電機(jī)組支撐。而關(guān)鍵零部件選型趨勢(shì)與解決方案會(huì)成為前期可靠性保障的重要環(huán)節(jié)。

本文簡(jiǎn)要分析了海上風(fēng)電主軸、齒輪箱行星架與行星輪三個(gè)關(guān)鍵位置的軸承選型，概述了大型海上風(fēng)電機(jī)組的軸承選型趨勢(shì)和技術(shù)特點(diǎn)。以圓錐滾子軸承為主導(dǎo)的軸承選型，經(jīng)過理論分析與實(shí)踐檢驗(yàn)，可以有效避免其他軸承選型所存在的軸承損傷模式，并逐漸成為風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈可靠性設(shè)計(jì)的重要組成部分。

攝影：李娜

[1]蘇曉.2012年全球海上風(fēng)電發(fā)展與統(tǒng)計(jì)分析[J].風(fēng)能,2013(6):30-35.

[2]方濤,黃維學(xué).大型海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸、安裝和維護(hù)的研究[J].風(fēng)能產(chǎn)業(yè),2013(7):30-35.

[3]Integrated Planet Pac for Epicyclical Planetary Idlers, ? 2005 the Timken Company Printed in the U.S.A.M-02-05- Order no.5879