兆瓦級風電變槳軸承的技術要求與制造

張宏偉，扈文莊，邢振平，劉河

(1.大連冶金軸承股份有限公司，遼寧 大連 116202； 2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；3.金風科技股份有限公司，北京 100176)

1 變槳軸承的技術要求

變槳軸承作為風力發電機的關鍵部件，與變槳驅動裝置一起作用，通過改變葉片角度(即槳距角)實現對風力發電機葉片輸出功率的控制和槳葉的安全性保證。變槳軸承承受3個方向交變的軸向力、徑向力和大的傾覆力矩，載荷分布如圖1所示。

圖1 變槳軸承載荷分布示意圖

變槳軸承的工作環境非常惡劣(高溫、高寒、高原、高鹽和高風沙)，要使其滿足20年使用壽命的要求，就必須保證變槳軸承在整個運行期間，保持均勻和穩定的啟動摩擦力矩、有效的密封，變槳不能出現失敗。

由于兆瓦級風電變槳軸承要求高可靠性和長使用壽命且又是雙排四點接觸球結構，因此，對成品和零件的技術要求不同于普通回轉支承。套圈材料要求為爐外精煉真空脫氣、符合EN10083標準的合金結構鋼42CrMo4；套圈基體做調質處理，硬度大于260 HB，材料的力學性能要達到：抗拉強度σb≥850 MPa、屈服強度σs≥650 MPa、伸長率δs≥12%、-40 ℃時V形試棒的沖擊功平均值大于27 J。保持架采用低合金高強度結構鋼Q345C或合金結構鋼QSTE380Tm制造。

套圈溝道的硬度和有效硬化層厚度是軸承壽命的保障基礎。由于42CrMo4表面淬火后硬化層與基體之間沒有過渡層，因此在承受載荷時，出現疲勞的位置在硬化層與基體之間。如果溝道硬化層厚度不足，溝道載荷的作用力會直接作用在硬化層與基體之間并產生疲勞裂紋，嚴重時會使溝道材料呈片狀脫落，造成軸承損壞。當承受瞬間極限載荷時，會在溝道與鋼球接觸部位產生塑性變形(壓痕)，影響軸承的回轉，產生振動。當長時間承受大載荷時，鋼球會緩慢地擠壓溝道，使溝道產生塑性變形，將變形量從軟帶擠出形成凸出，影響軸承的回轉，嚴重時甚至會卡死軸承。因此,套圈溝道采用中頻表面淬火，硬度為57～62 HRC，有效硬化層成品厚度取決于鋼球直徑，最薄應大于4.5 mm；齒部采用中頻或高頻表面淬火，硬度為50～60 HRC，有效硬化層厚度參照ISO 6336-5(E)標準規定，最薄應大于1.5 mm。

為消除軸承運行時高頻振動造成的鋼球與溝道之間產生的沖擊載荷，軸承采取負游隙，即溝道與鋼球之間有預過盈，過盈量用啟動摩擦力矩來確定。2個單溝道啟動摩擦力矩的差值是2個單溝道過盈量的差值，過盈量的差值直接影響2個溝道承受載荷的分配。為使2個溝道均衡地承受載荷，2個單溝道啟動摩擦力矩的差值應盡可能小。成品啟動摩擦力矩(未裝密封)與單溝道啟動摩擦力矩的關系決定了軸承能否實現雙排溝道同時承受載荷。成品啟動摩擦力矩與單溝道啟動摩擦力矩之比為1.3～1.7時，才能保證雙排溝道同時承受載荷；比例關系超出范圍則意味著雙排四點接觸球軸承承載能力減為單排四點接觸球軸承承載能力，一旦裝機會給風機帶來極大隱患，當風機需要承受極限載荷時，將由于軸承的承載能力達不到設計要求而造成變槳失敗。

軟帶是軸承承受載荷的薄弱環節。單個套圈溝道的2個軟帶位置應相錯180°，安裝運行時，在軟帶位置要保證相當于有1個溝道在承受載荷。

密封圈材料采用耐油的丁腈橡膠，實驗室檢測其使用壽命要達到20年，密封壓縮量要能滿足在使用壽命中，軸承的腔內工作壓力保持在0.2 MPa，極限壓力達到0.25 MPa。

2 軸承的制造技術

2.1 套圈的加工工藝

兆瓦級風電變槳軸承的套圈加工與普通回轉支承的加工工序基本一致，但因其為雙排四點接觸球結構，且要保證雙溝道均衡地承受載荷，故在加工上又有別于普通回轉支承。其特殊性在于：所有的工藝措施都是為了保證成對合套的內、外圈溝心距一致以及單個套圈的兩溝道平行度達到很高要求。因此，基于上述兩點，加工中首先要通過多次高溫回火最大限度地消除套圈自身在熱處理和粗加工時的殘余應力，以避免在加工過程中因應力釋放而造成套圈的變形。關鍵工序精加工雙溝道采取的方法有兩種：一是用帶電子吸盤工作臺的高精度數控立車精車雙溝道；二是用高精度數控立磨1次磨削雙溝道。

采用帶電子吸盤工作臺的高精度數控立車精車雙溝道，主要是利用電子吸盤工作臺裝夾工件，能很好地消除工件自身原有的變形對加工的影響，可以加工出高平面度的工件基準面和很好的兩溝道平行度；利用機床高重復定位精度配以陶瓷或立方碳化硼刀具，加工出公差小于0.008 mm的溝道中心距和很好的溝道輪廓度，但加工時要有高精度的兩溝道中心距測量設備定期進行檢測。

采用高精度數控立磨1次磨削雙溝道，是將兩片經過同一金剛石滾輪成形修整的砂輪對內、外圈的雙溝道同時進行磨削加工，既能保證溝道中心距一致的要求，又使溝道表面粗糙度降低。只是每個型號都要配備金剛石滾輪，在沒有形成批量生產時，生產成本較高。采用精磨溝道方法加工溝道還需要配備輪廓儀來檢測磨削試片或配備便攜式輪廓儀直接檢測溝道的輪廓度，并配備磁粉探傷機檢測磨削裂紋。值得注意的是，采用雙溝道1次磨的工藝，常常會出現加工出的溝道在測量時完全滿足尺寸與精度要求，但在裝配時總有1個溝道的游隙不符合要求，使得軸承在裝配時需反復調整鋼球規值以達到兩溝道摩擦力矩和預過盈量的一致。這是因為在精磨溝道過程中，由于零件的技術要求、工藝基準的選擇、機床的調整、操作手法、裝夾方式和生產節奏的影響，使得相互對應裝配的溝道壓力角發生變化，加之鋼球與溝道間為預過盈，溝道壓力角的微小變化都會對游隙選配產生較大影響。

2.2 保持架的加工工藝

變槳軸承的保持架由于外形尺寸大，精度要求高，采用沖壓工藝時由于框梁尺寸小，沖孔時框梁變形大，不能滿足保持架的精度要求。因此，采用激光加工與機械加工相結合的方式加工兜孔，采用滾圓整形、滾擠消棱的方法進行整圓加工，使保持架達到要求的精度。

加工工藝的4個關鍵工序是：激光打孔、滾圓整形、滾擠消棱和精整兜孔。采用臥式激光切割機切割出兜孔，兜孔精度高且框梁不變形，并留出精整的留量；采用專用滾圓整形機床對保持架進行滾圓整形，滾壓出符合要求的圓度；采用專用滾擠機消除滾圓整形工序產生的棱圓；采用專用兜孔精整機精整兜孔，以提高其尺寸精度和降低表面粗糙度。

2.3 裝配工藝

在批量生產時采用鋼球規值配游隙的方法既經濟，又高效。選配時，通過測量溝道尺寸，按照配算零游隙的狀態選配內、外圈。若是精車溝道工藝，還需測量兩溝道中心距尺寸，按照溝心距盡量一致進行選配，并且使成對的內、外圈理論游隙為零。由于測量量具的測量誤差，需用測量鋼球對選配游隙進行校核，測量鋼球的規值要比裝配用鋼球的最小規值小0.01～0.03 mm。測量游隙不能超過0.03 mm，否則用來計算的實測游隙值在計算過盈量時將會失真，降低準確度。根據測量的游隙值計算出保證最終兩溝道過盈量相互差的裝配用鋼球規值，測量時各測量點的游隙相互差應足夠小，若過大則表明該套軸承套圈的變形太大，需對溝道進行返修。

通過測量游隙和游隙尺寸關系的計算，選配出溝道的過盈量，裝配時首先裝過盈量大的溝道的鋼球。在裝球測量機上分別測量每個溝道的啟動摩擦力矩(應在旋轉磨合后進行測量)并詳細記錄，若2個單溝道啟動摩擦力矩的差值大，就應增大啟動摩擦力矩小的溝道的鋼球規值，使該溝道啟動摩擦力矩盡量接近或大于另一溝道啟動摩擦力矩。對滿裝兩溝道鋼球測得的裝配后啟動摩擦力矩與該軸承的單溝啟動摩擦力矩進行比較，符合比例關系的產品合格，超過比例關系的產品不合格。

安裝密封條時，先用條板剪刀按外圈密封條長度不小于密封槽外緣直徑計算的周長、內圈密封條長度不小于密封外圈內徑直徑計算的周長剪斷，黏結成圈。安裝前在兩密封唇口之間涂上潤滑脂，把密封條按入溝槽中，再用氣動錘把密封條壓實，壓實順序是先壓實8個定位點，2個定位點之間從定位點兩邊向中間壓實，然后用小滾輪滾勻。

3 軸承的關鍵檢測技術

3.1 兩溝道中心距的測量

在變槳軸承中，保證成套軸承相互對應的內、外圈的兩溝道中心距盡可能一致，才能保證兩溝道同時承載，若差值過大則變成了雙排角接觸球軸承，承載能力將大幅下降。兩溝道中心距測量如圖2所示，利用杠桿原理，當兩溝道中心距偏離規定的數值時，測量杠桿圍繞支點產生旋轉位移，測量千分表表針隨之移動，顯示出偏差數值。測量時將兩測量鋼球的中心距調整到與套圈溝道中心距一致，用外徑千分尺或測長儀校核公差，校核完成后用兩測量球與兩溝道充分接觸，左右擺動測出最大偏差值。

圖2 溝位置測量示意圖

對于采用精車方法加工出的雙溝道套圈，因為存在機床重復定位精度的問題，測量兩溝道中心距尤為重要，只有測量準確才能保證裝配的要求；對于雙溝道1次磨的精磨溝道方法，測量兩溝道中心距主要是為了保證車加工與磨加工的兩溝道中心距一致。磨加工的兩溝道中心距因為砂輪修整器的原因無法調整，而車制溝道卻是每次加工都需要進行調整，只有保證車加工與磨加工溝道時兩溝道中心距一致，才能避免出現偏差而造成磨加工線狀接觸磨削出現裂紋和修磨溝位置出現松套的現象。

3.2 輪廓度的測量

溝道的輪廓度是溝道接觸強度的保證。由于變槳軸承外形尺寸大且溝道為桃心形，無法采用簡單的刮色法和臺式輪廓儀檢測。但不檢測溝道的輪廓度就不能確定數控立車溝道時程序差補和進刀機絲杠的間隙對輪廓度的影響，也不能確定金剛滾輪使用到后期時加工中輪廓度的變化,因此，采用最新開發的便攜式輪廓儀對套圈溝道進行測量是比較理想的方法。

3.3 齒形的測量

套圈的齒輪由于尺寸較大，無法在儀器上測量，雖然齒輪的精度不是很高，但僅靠刀具和機床精度無法完全保證加工質量。采用樣板對比法測量能夠基本滿足要求，方法是使用與齒輪相同參數的齒形樣板，采用對研的方法制出與齒形樣板接觸面達90%以上的測量樣板，用測量樣板檢查齒形，齒與測量樣板接觸面達75%以上。

3.4 熱處理的檢測

采用硬化層厚度檢測儀檢測溝道與齒的硬化層有效厚度。淬火通常會產生近表面細密晶粒變硬結構層，該區域區別于未淬火的基體材料結構，尤其在晶粒大小上有明顯區別。淬火的近表面層對超聲波是近乎透明的，而粗大晶粒的基體材料層會產生明顯的超聲背向散射，根據背向散射信號的幅值變化就可以判定硬化層和基體的界面變化。超聲脈沖首先到達材料表面，然后擴展到硬化層和基體的界面，可以借助其經過的時間評估硬化層的深度。

3.5 游隙和啟動摩擦力矩的檢測

3.5.1 游隙的檢測

由于常規游隙測量方法的限制，不能反映軸承的過盈量，只能作為過盈量測量的輔助手段，故過盈量要靠啟動摩擦力矩最后確定。盡管游隙測量是輔助手段，仍需較高的測量精度，使用千斤頂分別單獨作用進行游隙測量的方法測量精度低。使用并聯的液壓千斤頂同時作用則能最大限度地消除人為因素，提高游隙測量精度，其測量方法是：將軸承水平放置在3個按120°分布的支柱上，支柱同時支在外圈或內圈端面上，3個液壓千斤頂放在3個支柱對應的套圈位置，千斤頂支撐頭與套圈端面輕微接觸，測量表架與測量表頭分別支在內、外圈端面上，對測量表壓出測量范圍并確定基準位，開啟液壓進油閥門，緩慢頂起軸承，使其脫離支柱，3塊測量表反映的數值的平均值即為軸承的游隙。

3.5.2 啟動摩擦力矩的檢測

啟動摩擦力矩是變槳軸承最重要的數據之一，通常用彈簧拉力器進行測量，最成熟的測量方法是兩種獲得專利的檢測機，一種是通過齒輪傳動帶動軸承旋轉測量出啟動摩擦力矩和旋轉精度，另一種是通過連桿帶動軸承旋轉測量出啟動摩擦力矩和旋轉精度。這兩種檢測機雖然實現的方式不同，但測試原理相同，都是利用扭矩傳感儀來測量帶動軸承旋轉所需的扭矩，測出軸承的啟動摩擦力矩，所配置的軟件都能實現在任何角度位置采集啟動摩擦力矩的數據，同時還配有測量表和樣棒，可以同時測量齒跳動和旋轉精度。測試時采用在不同旋轉角度停頓后再次啟動的方法，一般測試均勻分布的6～12個位置點的啟動摩擦力矩，其中最大的啟動摩擦力矩為該套軸承的啟動摩擦力矩。

齒輪旋轉式測量結構如圖3所示，優點是在測試不同型號的軸承時，軸承的直徑發生變化時無需找正。不足之處是每一種模數的齒輪要配一個相同模數的測量齒輪，還要根據齒輪的中心距調整測量軟件，確定力矩關系。

圖3 齒輪旋轉式力矩測量示意圖

連桿旋轉式測量結構如圖4所示，優點是連桿長度可自由伸縮，在軸承回轉中心與檢測機連桿回轉中心不同心時，連桿長度可以自我微調，補償偏心對力矩的影響；在測試不同型號的軸承時，連桿長度只需調整至與測量軸承旋轉半徑相同即可測量。不足之處是需要找正，以減少偏心對測量精度的影響。

圖4 連桿旋轉式力矩測量示意圖

4 結束語

雖然兆瓦級風電變槳軸承設計計算壽命能夠滿足20年的使用要求，但缺乏具體細化的技術要求，根據實際工況確定出了相關的技術要求，提出了相應的工藝手段和測量方法，并在實際生產中得到了應用。