淺談三排滾子軸承在5MW級以上風電機組上的應用

張森林+劉紅

摘 要：本文詳細闡述了三排滾子軸承的結構、功能和特點以及其在風電機組中作為主軸軸承的使用情況，介紹了三排滾子軸承的內圈、外圈、滾動體和保持架的材料選擇和熱處理的工藝要求，并采用有限元的軟件對該軸承的滾道強度和連接螺栓組做進一步的計算分析，采用軸承的計算軟件對軸承的壽命進行校核和計算，從而指導和完善風電機組主軸軸承的設計選型。

關鍵詞：風力發電機組 載荷計算 靜強度 疲勞壽命 主軸軸承 三排滾子軸承 有限元分析

中圖分類號：TK22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0080-03

目前，在大功率風電機組的設計中，主傳動鏈的設計至關重要。在主傳動鏈的設計中，軸承的選型設計是否正確往往決定了整個風電機組設計的成敗。因此，在大型風電機組的設計中，我們往往都需要先確定整個機組傳動鏈的總體結構。一般來說，對于較大型的風電機組，傳動系統的設計主要采用直驅方案或者是帶有齒輪箱的半直驅的方案，直驅機組的方案成本相對較高，因此我們一般選擇帶有齒輪箱的半直驅的方案。因此，必須明確主傳動系統中主軸承的選型和設計方案。

1 三排滾子軸承的結構特點

三排滾子軸承具有三個座圈，滾道各自分開，使得每一排滾柱的負載都能確切地加以確定，能夠同時承受各種載荷。三排滾子軸承的優點是軸向力由軸向滾子承受，徑向力由徑向滾子承受，兩者互不干涉；滾道易于加工，加工精度可以達到設計理想值；如果安裝預緊條件不變，軸承設計制造過程可以確定準確的游隙值，安裝后可保證軸承正常工作，同時可保證批量生產的一致性；保持架結構相對簡單，加工難度小。缺點是滾子與保持架之間摩擦生熱，使軸承溫度升高，縮短了潤滑油脂的使用壽命。因此，只要在使用中采用合理的散熱方式，采用三排滾子軸承還是比較理想的選擇。

2 三排滾子軸承的主要應用

三排滾子軸承可以廣泛應用于各種工程機械、港口機械、采掘機械、建筑工程機械、灌裝機和導彈發射架等大型回轉裝置上。三排滾子軸承也可用于風電機組的偏航系統和主傳動系統。三排滾子軸承在國外2MW風力發電機組的主傳動系統中已經成功使用過。在國內5MW風力發電機組主傳動系統中也成功應用過。因此把三排滾子軸承應用到大型風電機組的主傳動系統上是可行的。這樣能使機組的結構緊湊，機艙的外形尺寸小，軸承的安裝方便。和雙列圓錐滾子軸承相比，不存在軸承游隙難以控制的問題和軸承安裝的問題。

3 三排滾子軸承的設計計算

3.1 三排滾子軸承材料

三排滾子軸承內外圈材料一般選用專用定制材質42CrNiMo鍛件，經過調質處理，材料硬度為HB280以上，具有很好的芯部硬度及韌性、很好的熱處理調質特性以及淬硬性、淬透性。軸承套圈滾道表面通過中頻感應淬火處理，其良好的機械性能滿足軸承在使用中的要求。滾動體材質一般為GCr15SiMn整體淬火處理，使滾動體具有很高的抗壓性、耐磨性，以滿足主軸承重載下穩定的使用性能。

3.2 三排滾子軸承滾道計算

根據主軸承受力的工況對主軸承進行滾道安全校核。考慮到主軸承安裝在一個剛性結構上，且安裝面的狀態符合主軸承安裝要求，潤滑要求的情況下，對滾道進行靜強度安全校核，以軸向力極限狀態工況考慮，見表1。

3.3 三排滾子軸承螺栓組計算

3.3.1 有限元模型建立

主軸軸承與主機架螺栓連接靜強度分析采用Pro/E建立結構模型，再導入至有限元軟件中執行創建有限元模型和強度分析。

主軸軸承與主機架之間的連接螺栓以梁單元建立模型，梁單元截面積以實際應力面積計。主軸軸承、主機架、墊圈采用20節點6面體單元分網。在輪轂中心處建立節點并分工況施加輪轂中心集中載荷，該節點與軸承內圈前端面節點通過MPC連接；軸承內圈與軸承外圈1/2、軸承外圈2與主機架分別建立標準接觸對，摩擦系數取0.2。在塔筒下端截面施加全位移約束。有限元模型見圖1、圖2。

3.3.2 計算結果

由有限元軟件計算得到的各極限工況下螺栓組的最大等效應力見表2。

3.3.3 螺栓組計算結論

在1.3wind11.3dna30工況下，主軸軸承與主機架連接螺栓組出現最大等效應力，數值為709.0MPa；主軸軸承與主機架的接觸狀態及接觸壓力良好。

4 結語

本文通過對三排滾子軸承的結構、功能、特點的分析和使用情況并通過對三排滾子軸承滾道、螺栓組、軸承壽命等幾個方面的計算分析，說明三排滾子軸承在大型風電機組的設計中，作為主傳動系統的軸承滿足規范的設計要求，可以應用于大型風電機組主軸軸承。采取必要的冷卻和散熱的措施，避免三排滾子軸承的發熱，就可以更好地利用三排滾子軸承。

參考文獻

[1] 萬長森.滾動軸承的分析方法[M].北京：機械工業出版社， 1987.

[2] 紀德洲.131.50.3550型三排滾柱式回轉支承的研究與開發[D].北京農業大學，2005.

[3] 張宏偉，閆瑞志，薛鵬，等.風電機組主軸承的設計與技術要求[J].軸承，2014（4）：14-19.endprint