淺談主軸軸承技術在大型風力發電機組中的應用

段博志?黃翀?楊明川

摘 要：分析比較了不同軸承在大型風力發電機組傳動鏈系統中的應用，其中包括雙列球面滾子軸承、圓環滾子軸承，圓柱滾子軸承，雙列圓錐滾子軸承等，通過不同軸承的組合配置主軸軸承方案，針對不同的方案的優缺點進行比較。考慮風機工況的復雜性、機組的柔性化，本文介紹了柔性套圈、螺栓效應、滾子邊緣應力以及擋邊載荷等軸承先進分析技術，這些技術的應用能夠精確分析滾道載荷分布，進而保證大型風力發電機組主軸軸承設計的可靠性。

關鍵詞：主軸軸承；風力發電機組；軸承配置；可靠性

一、引言

主軸軸承作為風力發電機組主傳動鏈的重要零件，其性能的可靠性不僅影響其自身維護成本，同時決定著傳動鏈的可靠性。軸承是風電機組中的薄弱部位是風電機組的主要故障點之一[1-3]。由于風力發電機組結構的柔性化、工況的復雜化，主軸軸承的設計已成為整機設計的關鍵技術，本文將從兩個方面對風電軸承技術在大型風力發電機組中的應用進行討論。

二、主軸軸承配置

方案一：雙列球面滾子（SRB+locating）+雙列球面滾子（SRB+Non-locating）

此方案又稱自調心軸承配置方案，采用兩個雙列球面滾子，一端固定、一端浮動，這種軸承有一定的調心能力，能夠適應系統變形以及裝配的不對中產生的誤差。同時軸承具備一定的成本優勢，目前在2MW及2MW以下幾組中得到了廣泛的應用。但是由于這種方案受浮動的空間限制以及軸向力與徑向力的受載比值限制，在實際應用中當軸承的熱變形過大，軸向力過大時，軸承滾道內的載荷也會增大，進而導致載荷惡化，使得軸承過早失效。

方案二：雙列球面滾子（SRB+locating）+圓環滾子軸承（CARB+Non-Locating）

針對方案一所存在的問題，SKF首先提出了方案二的配置，將方案一中浮動端的雙列球面滾子軸承更改為圓環滾子軸承，這種軸承與球面滾子軸承一樣具有自動調心的能力，同時與圓柱軸承一樣能夠補償軸承的熱膨脹引起的軸向變形，最大軸向位移可達到軸承寬度10%。但這種軸承的成本較高。

方案三：非對稱雙列球面滾子（SRB+locating）

同樣針對方案一，Schaeffler提出了非對稱雙列球面滾子軸承，此軸承的兩列接觸角不同，在承受軸向載荷的一列有比較大的接觸角，這種軸承的設計可以針對風電特定的載荷進行定制化設計，進而改善軸向力與徑向力的受載比值限制，提升了軸承的軸向承載能力。然而這樣定制化的設計會增加軸承的設計、制造成本。

方案四：雙列圓錐滾子軸承（DRTB+locating）+圓柱滾子軸承（CRB+Non-Locating）

此方案與上述三種方案不同，由于對雙列圓錐滾子軸承進行預緊，進而使整個系統的剛性較大，降低軸向、徑向的系統變形，軸承的預緊可以改善軸承內部的載荷分布、防止滾動體打滑、降低振動導致滾動體壓痕的風險，尤其對于直驅式風機而言，可以減小發電機氣隙的變化，提高系統的可靠性。但此方案對整機的制造、加工、裝配要求高。

方案五：雙列圓錐滾子軸承（DRTB+locating）+圓環滾子軸承（CARB +Non-Locating）

此方案集成了上述方案中的優點，但成本比較高，目前并未在風電行業得到廣泛應用。方案六：單列圓錐滾子軸承（TRB）+單列圓錐滾子軸承（TRB）

此方案采用交叉定位，由于采用兩個單列圓錐滾子軸承相當于減少了一個軸承，因此在成本上有一定的優勢，此軸承配置方案可控性好，可以根據受載情況進行尺寸的調整，但設計、制造、加工、裝配要求高。

方案七：雙列圓錐滾子軸承

此軸承專門為大兆瓦級風電傳動系統而設計，此軸承方案省去了主軸、進而大幅降低傳動鏈長度，同時軸承可承受較大彎矩載荷，進而降低了傳動鏈的徑向齒輪，通過上述的實現傳動鏈的超緊湊設計。目前此軸承方案為大兆瓦級風機的主流配置方案。

三、主軸軸承技術應用

在傳統的風機主軸軸承配置中，供應商通常采用ISO281與ISO/T16281進行軸承的壽命計算，而對周邊結果進行剛性處理。此解析算法的前提是系統應有足夠的剛性，顯然隨著風機越來越趨于大型化，整個機組結構越來越柔性化。因此軸承的周邊結果對軸承壽命影響也越來越大。傳統的軸承分析技術已滿足不了軸承設計、應用需求，目前先進的分析技術通常采用全耦合一體化分析流程，此分析方案結合解析法高效性和有限元的精確性。在分析過程中不僅要考慮風況復雜性與系統的變形對壽命的影響，同時還要考慮螺栓連接對滾道變形的影響。

主軸軸承技術設計關鍵點包括軸承的結構設計、滾子滾道的修形。為得到合理的結構設計與修形方案，應該對載荷的輸入進行精確的處理。目前市面上通用的風電主軸軸承分析軟件有Romax、SMT，供應商內部分析軟件bearing-X（FAG）、 REBA（羅特艾德）等都可以考慮系統變形，進而得到真實的載荷傳遞。

1.柔性套圈技術

套圈的柔性化是考慮系統變形的前提，柔性化的套圈可以真實的反應滾道內的載荷分布，套圈的橢圓變形與扭曲變形改變了滾道內的載荷分布，進而影響軸承的使用壽命。因此柔性套圈技術在風機大軸承的設計中起到關鍵性的作用，為風機的可靠性設計提供依據。

2.軸承邊緣應力分析技術

在極限載荷作用下，軸承會發生邊緣受載。當邊緣受載嚴重時，軸承也會發生失效，因此一個有效的邊緣應力分析技術能夠更好的預測邊緣應力，為設計和評估滾子修形提供依據。更有效的提高軸承的可靠性。

3.擋邊的接觸分析技術

在以往的風力發電機組主軸軸承分析中很難去評估軸承的擋邊載荷，因為理論的設計分析中擋邊僅僅承受較小的載荷，對于風電主軸軸承而言，這部分的載荷會根據系統的變形而惡化，因此擋邊接觸分析模型技術的發展能有效的評估軸承擋邊載荷情況，可采取不同的擋邊形狀設計的改善載荷分布，同時合理的設計擋邊的高度、厚度增強擋邊的強度。

四、結語

主軸軸承配置方案應根據整機的結構設計、運行工況、運行環境、成本控制等方面進行選取。每一個軸承配置方案應全面的評估，充分考慮軸承的設計、制造、安裝、運維。尤其是在前期的設計中需要充分的考慮系統的柔性對主軸軸承壽命的影響。

參考文獻：

[1] 沈德昌，大型風電機組軸承[J].太陽能，2010（1）：35-36.

[2] 和加群.風力發電機組配套軸承技術和市場情況分析[J].軸承，2009（5）：35-36.

[3] 俞黎萍. 風電機組主軸承選型與設計分析[J].重慶大學學報， 2012（1）.81.