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)電機上的重要部件，風(fēng)力發(fā)電機安裝在距地面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，在裝機試驗之前必須進行模擬試驗和測試，以確保軸承設(shè)計參數(shù)的準確無誤。

由風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)可知[1-2]，風(fēng)電變槳軸承的外圈和風(fēng)電機組的輪轂相連，內(nèi)圈與風(fēng)電槳葉連接，機組運行時，變槳減速電動機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，變槳軸承工作時可在±55°30′的范圍內(nèi)往復(fù)擺動。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，對風(fēng)電變槳軸承的摩擦力矩啟動值及瞬時值的測試與分析，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 摩擦力矩試驗機的結(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)電軸承試驗機，其結(jié)構(gòu)及組成如圖1所示。

1—變頻減速電動機；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)電變槳軸承試驗機簡圖

1.1.1 變頻減速電動機

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

旋轉(zhuǎn)，由小齒輪帶動變槳軸承的內(nèi)齒嚙合傳動。變槳軸承的外圈和加載臂通過高強度螺栓連接，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。試驗機不工作時，加載臂通過小車支承，工作時加載臂懸空。

變頻減速電動機功率為5.5 kW，轉(zhuǎn)速范圍為0～3 r/min，可實現(xiàn)變頻無級調(diào)速。通過加載臂末端的徑向油缸對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際使用工況。

1.1.2 扭矩傳感器

扭矩傳感器是試驗機非常重要的部件。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，再將該應(yīng)變信號放大，經(jīng)過壓頻轉(zhuǎn)換得到與扭應(yīng)變成正比的頻率信號。

系統(tǒng)的能源輸入及信號輸出由2組帶間隙的特殊環(huán)型變壓器承擔(dān)，實現(xiàn)無接觸的能源及信號傳遞功能。扭矩傳感器輸出的頻率信號在零點時為10 kHz，正向旋轉(zhuǎn)滿量程時為15 kHz，反向旋轉(zhuǎn)滿量程時為 5 kHz，即滿量程變量為5 000個。扭矩傳感器精度可達±0.2%～±0.5%。由于傳感器輸出為頻率信號，無需A/D轉(zhuǎn)換即可直接送至計算機進行數(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，傳動的一對正交錐齒輪的傳動比為1∶1，則Z1/Z2=n2/n1。通過與變頻減速電動機相連接的扭矩傳感器可以測試出驅(qū)動軸承轉(zhuǎn)動所需的驅(qū)動扭矩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機上，開啟工控機，在人機界面上輸入需要模擬的徑向和軸向油缸的壓力及時間，啟動液壓缸模擬加載最大可達4 000 kN·m的傾覆力矩和徑向分力，同時加載最大可達800 kN的軸向分力，再啟動變頻驅(qū)動電動機及扭矩傳感器工作。此時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摩擦力矩及即時摩擦力矩值。在試驗機運行過程中，注意觀測軸承在試驗過程中的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性及軸承內(nèi)滾動體的運轉(zhuǎn)情況。

2 軸承摩擦力矩測量過程

將試驗軸承的內(nèi)圈與試驗機加載臂連接，外圈固定不動，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，通過工控機測試軸承的啟動與旋轉(zhuǎn)摩擦力矩，并分析對比試驗數(shù)據(jù)。

2.1 空載試驗

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

表1 空載啟動摩擦力矩值

2.2 加載試驗

將加載臂與變槳軸承安裝好后，利用加載油缸對變槳軸承進行加載試驗，對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摩擦力矩值。同樣，在軸承圓周上均勻分出6個測試點，記錄測得的啟動摩擦力矩值見表2。同時，記載變槳軸承在旋轉(zhuǎn)中的即時摩擦力矩值，并觀測軸承在旋轉(zhuǎn)過程中的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。

表2 加載啟動摩擦力矩值

圖2所示為變槳軸承在旋轉(zhuǎn)過程中的即時摩擦力矩值，記錄了變槳軸承順時針旋轉(zhuǎn)時加載676 kN·m傾覆力矩后，20 min內(nèi)的即時摩擦力矩。由圖2可見，摩擦力矩在3 335.4～3 680.6 N·m范圍內(nèi)波動，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，對變槳軸承的外觀尺寸和軸承質(zhì)量等項目進行檢測，這些檢測項目都會對軸承的摩擦力矩產(chǎn)生一定程度的影響。在試驗前、后各進行一次檢測，主要目的是檢測變槳軸承在試驗后是否仍能達到產(chǎn)品的設(shè)計要求，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為變槳軸承試驗后的外圈溝道和齒面外觀質(zhì)量。

圖3 試驗后變槳軸承的溝道和齒面質(zhì)量

2.4 試驗結(jié)果分析

由試驗數(shù)據(jù)看出，不管是空載啟動，還是加載不同傾覆力矩時，被測軸承圓周面上6個測點的摩擦力矩均有較大差異。而進行長時間旋轉(zhuǎn)測量時，即時摩擦力矩會隨著時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。但當傾覆力矩增大到一定程度后，摩擦力矩會逐漸減小并趨于穩(wěn)定，僅在小范圍內(nèi)跳動。由于試驗采用新加工的軸承，剛開始啟動時內(nèi)圈、外圈、滾動體、潤滑脂和保持架之間的相對運動不會很好，會促使摩擦力矩增大。但隨著運動時間的增加，各零件間的相互運動會逐漸趨于平穩(wěn)，摩擦力矩也會隨之逐漸穩(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，其大小與軸承的裝配狀況，軸承的套圈、滾動體、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。

采用軸承試驗機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，以及各種工況對風(fēng)電變槳軸承的影響，對變槳軸承的設(shè)計與加工制造提供了重要的試驗數(shù)據(jù)，可作為工藝方法驗證和改進的重要依據(jù)。