直驅型風力發電機組主軸承設計質量管理方法研究

薛鵬，李鑫泉，劉立峰

（中國航天萬源國際（集團）有限公司，北京 100076）

直驅型風力發電機組是通過主軸承直接連接風輪和發電機轉子，并利用風能驅動風輪直接帶動發電機轉子轉動來發電的。傳統直驅型風力發電機組一般只使用一個主軸承，其轉動套圈與風輪和發電機轉子連接，不動套圈與機艙固連，使得風力發電機組整體結構簡單，安裝方便。直驅型風力發電機組主軸承承受著風力載荷、風輪重量、發電機轉子重量和風輪、發電機轉子旋轉等同時作用的集中載荷，在主軸承設計時需要考慮主軸承承受由徑向力、軸向力和傾覆力矩所構成的復雜隨機交變載荷。直驅型風力發電機組發電機和主軸承的外形較大，其中空結構可以使操作人員很方便地進入風輪內部工作。但是主軸承的外形大、制造難度大、價格昂貴并且一旦損壞在風機上無法更換，需要將發電機和主軸承整體從風機上拆卸下來更換，現場更換的成本很高，所以對主軸承的設計質量管理要求很高。只有通過完善和落實主軸承設計、分析計算、設計校核、試驗驗證和最終設計的全面設計管理，才能有效提升主軸承設計質量。

1 直驅型風力發電機組主軸承設計

1.1 主軸承結構設計

作為直驅型風力發電機組連接發電機轉子與風輪的主軸承承擔了輪轂和葉片重量產生的徑向力和傾覆力矩，同時承擔了風力對風輪作用產生的載荷，以及風輪和發電機轉子旋轉產生的載荷。主軸承設計主要是根據主軸承所受的載荷情況和壽命要求考慮主軸承的選型，目前直驅型風力發電機組的主軸承主要有三列圓柱滾子軸承和兩列圓錐滾子軸承兩種形式。主軸承一般由滾子、內套圈、外套圈、保持架、連接螺栓和密封圈等結構件組成，設計的內容主要包括：確定主軸承滾子直徑、數量與長度，主軸承套圈的結構設計，保持架結構設計，徑向和軸向游隙設計，緊固件選型、密封圈選型、潤滑脂選型、注脂量參數等。

1.2 主軸承結構件材料的選擇與技術要求

主軸承滾子和套圈材料的選擇與熱處理要充分考慮化學成分和熱處理后從機械性能應滿足技術要求。保持架一般選用高強度銅合金材料的整體保持架，慎用分體保持架和鋼材料保持架。連接螺栓一般選擇10.9 級高強螺栓。密封圈要綜合考慮選擇壽命長、耐磨性好、與潤滑脂兼容性好的材料。

1.3 設計計算校核

（1）主軸承套圈的靜態安全系數與疲勞壽命的計算和校核。主軸承套圈滾道的靜態安全系數與疲勞壽命，應按照GL 認證要求，主軸承滾道的靜態安全系數大于1.5；主軸承的疲勞壽命按ISO281 的計算方法，為135000h；按 ISO16281 計算的方法，為185000h。（2）套圈結構強度校核與加載變形的計算。通過有限元分析計算，計算出加載情況下套圈環形滾道應力分布和滾道表面變形量分布，確定滾道最大應力和最大變形量，滾道所受最大應力應小于材料的許用應力。（3）安裝預緊后套圈變形量的計算與確認。利用有限元分析軟件建立套圈施加螺栓預緊模型，套圈變形量的計算要考慮螺栓預緊對套圈變形量的影響，最終得到需要施加的螺栓預緊力。（4）保持架工作變形量的計算與確認。由于主軸承是軸線水平安裝，主軸承保持架承受因主軸承旋轉而產生的離心力以及保持架和滾子的重力。保持架在實際工作時保持軸線水平，沿垂直于地面的平面旋轉，承受大部分滾子重力和旋轉離心力作用，因而產生循環交變的變形，因此保持架應采用有足夠強度和剛性的整體結構，同時保持架邊框應有足夠的厚度以保證壽命期內對耐磨性的要求。

1.4 結構設計的修正與確認

根據滾道靜態安全系數計算與疲勞壽命的校核的數據，可采取“窮極法”對滾動體的直徑進行逐漸增加、逐一計算，直至到滿足壽命要求，最終確定滾動體直徑與基本長度尺寸；根據套圈結構強度校核與加載變形的計算，確定各個套圈環形梁厚度與游隙，最終確定緊固件的預緊力。確定保持架外徑與外套圈內徑的間隙值的一般原則是保持架在高速旋轉時的最大變形量應在保持架外徑與外套圈內徑間隙值的0.5～0.83 之間為宜。

通過對風力發電機組主軸承所受載荷的分析，運用有限元分析計算軟件對主軸承的結構強度和剛性以及壽命進行分析計算和優化設計，從理論計算上保證主軸承20 年使用壽命的設計要求。

2 通過運行試驗驗證設計質量

由于目前的設計模型和一款軟件都無法完全模擬和準確計算主軸承實際的運行載荷情況，加之設計所限，如果一款新型號的主軸承在批產前沒有經過試驗驗證，即使通過了嚴格的設計計算，主軸承設計的質量在目前的設計條件下還是難以保證的，主軸承使用的經濟風險還是非常大的。鑒于主軸承的重要性和更換的巨大成本，在設計管理中必須增加在新型號主軸承批產前，在試驗臺上進行模擬載荷的運行試驗，通過對試驗數據和試驗發現問題進行分析研究，對產品設計進行再確認和再驗證的環節，才有可能保證批產產品的設計質量。

2.1 載荷試驗方案和試驗參數選擇

（1）主軸承試驗方案。由于作為風力發電機組發電機轉子與輪轂連接的主軸承在承受軸向力、徑向力和傾覆力距的同時，主軸承內外圈還要進行相對轉動，主軸承使用時屬于垂直于地面安裝。為了更好的模擬實際工況，在試驗臺上主軸承也采用垂直方式安裝，將主軸承內套圈固定在試驗臺上，外套圈安裝液壓力矩加載裝置和轉動驅動裝置。考慮到實際載荷中傾覆力矩對主軸承的影響遠遠大于軸向力和徑向力，為便于進行試驗，加載載荷主要考慮傾覆力矩和采用額定轉速，通過加載油缸對主軸承施加傾覆力矩，通過回轉液壓驅動馬達帶動主軸承外環旋轉。（2）確定試驗加載參數。運行試驗主要需確定如下參數：傾覆力矩、主軸承轉速、試驗周期和單位時間潤滑脂注入量：選取試驗參數時，綜合考慮主軸承所受載荷、試驗條件和試驗周期：傾覆力矩可在主軸承載荷譜中按主軸承壽命20 年計算覆蓋99%生命周期的傾覆力矩載荷選取；主軸承轉速可按風力發電機組額定轉速選取；試驗周期可按主軸承載荷譜中此傾覆力矩載荷下運行時間的四分之一選取，模擬主軸承運行5 年；單位時間潤滑脂注入量可先根據經驗選取，在試驗中根據主軸承溫度調整注脂量，以保證主軸承運行時的溫度不超過技術要求。

2.2 試驗前對主軸承的檢查

檢查內容：滾道硬度、滾道淬硬層厚度、滾動體硬度、套圈調質硬度、啟動力矩、徑向游隙、軸向游隙、軸向跳動、徑向跳動。

2.3 試驗過程記錄

運行過程嚴格按試驗測試大綱進行，由控制計算機自動記錄試驗系統的運行狀況，記錄內容包括：環境溫度、主軸承內外套圈溫度、注脂量、液壓系統壓力、主軸承轉速等數據，試驗過程中如發現異常，應及時報警，必要時停止試驗，對系統進行檢查，系統調試正常后方可繼續進行試驗。

2.4 試驗完成后對主軸承的檢查

（1）主軸承整體檢查。檢查內容：軸向跳動、徑向跳動、徑向游隙、軸向游隙、啟動力矩、主軸承密封情況。（2）主軸承拆解檢查。主軸承拆解后，從滾道中取出適量油脂檢查分析油脂成分，然后再將滾道、滾動體、保持架和密封圈清洗干凈進行檢查，檢查內容：滾動體外觀、滾道外觀、滾動體與滾道接觸長度、保持架外觀、密封圈外觀、潤滑油脂雜質。

2.5 載荷運行試驗常見情況和原因分析

（1）主軸承密封圈處有油脂溢出，一般原因為密封圈彈簧拉力不夠或密封圈設計選型錯誤，導致密封效果不好，以及油路設計不好，排油不暢，導致油脂無法全部從排油口排出。（2）套圈、滾子上有壓痕或剝落現象，一般原因為生產過程中的運輸、安裝時的磕碰、多余物進入或設計錯誤、生產缺陷導致強度偏弱，運行中損傷。（3）套圈擋邊上的線狀、點狀刻痕，經磁粉探傷沒有發現裂紋，一般為滾子撞擊造成或主軸承安裝時不正確的使用工具；經磁粉探傷發現裂紋，一般為材料或熱處理缺陷導致。（4）保持架有局部高溫的痕跡，一般為試驗前的主軸承低速磨合時間太短，或是主軸承初始油脂添加量偏少、油路設計不合理導致油脂流動不暢，潤滑效果不良等原因導致。（5）滾子、滾道和保持架中如果發現明顯的裂紋、材料剝落等情況，在排除材料和生產過程中的問題后，應為設計質量問題，需對原設計進行復核復算。

3 結語

由于目前行業內還沒有直驅型風力發電機組主軸承設計標準和公認可靠的設計計算方法，在設計流程管理中加入試驗環節來驗證設計質量就顯得非常重要，建議相關企業只要有條件就要開展相關試驗驗證工作。直驅型風力發電機組主軸承檢查分析過程中主要參照GBT-4661 滾動主軸承- 圓柱滾子，JB-T10471 滾動主軸承-轉盤主軸承等標準，通過對試驗后主軸承的相關技術參數、密封情況、滾動體、滾道、保持架、油脂等進行的檢查并結合試驗數據，分析主軸承在設計、生產和運行保障中可能存在的問題，可以有效的提高設計可靠性，并為最終決策是否采用新型號主軸承提供試驗依據。