風電偏航變槳用四點接觸球軸承錐銷結構設計改進

尚艷濤，楊德勝，徐永智，練松偉，王力寧

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南洛陽471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南洛陽471039；3.三門峽職業技術學院河南三門峽472000）

風電偏航變槳用四點接觸球軸承錐銷結構設計改進

尚艷濤1,2，楊德勝1,2，徐永智3，練松偉1,2，王力寧1,2

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南洛陽471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南洛陽471039；3.三門峽職業技術學院河南三門峽472000）

介紹了偏航變槳用四點接觸球軸承錐銷設計結構，分析偏航變槳軸承錐銷失效形式，針對失效形式提出改進設計方案。實踐證明，改進設計措施有效可行，提高了軸承的設計可靠性，降低了風機運維成本，保證風機長久持續無憂運轉。

偏航變槳軸承；錐銷；設計；改進

0 引言

風能是一種可再生、綠色、環保能源，取之不盡，用之不竭[1-2]。近幾年國內外對風能的開發利用異常迅猛，據GWEC預測，到2020年風電年新增市場將達到100GW，累計市場達到879GW;到2030年風電年新增市場達到145GW，累計市場達2,110GW。軸承是風機的運動樞紐，是風機的關鍵部件，它不僅要適應腐蝕、潮濕、低溫等復雜工況，而且還要承受軸向力、徑向力和傾覆力矩聯合載荷的作用，同時還需要滿足高可靠性和二十年壽命的要求，這對風機軸承的設計、制造及維護提出了挑戰。

從現有資料看，國內外針對風電偏航變槳用四點接觸球軸承開展了很多有益研究。文獻[1]提出了一種計算轉盤軸承靜載曲線的方法；文獻[2-5]研究了在軸向力、徑向力和傾覆力矩聯合作用下，四點接觸球軸承的載荷分布情況；文獻[6]通過建立軸承靜態模型研究了游隙對四點接觸球轉盤軸承載荷分布的影響；文獻[7-8]介紹了轉盤軸承承載能力及額定壽命的計算方法。然而，現有研究尚未涉及偏航變槳軸承在設計過程中錐銷存在的問題。

在考慮風機軸承可靠性時，往往重點關注軸承的制造、安裝及使用維護。研究表明[8-10]，軸承的可靠性首先是設計出來，一旦設計定型，產品的固有可靠性就已經確定。產品的生產制造是保證產品固有可靠性的實現，而后期的安裝和使用維護延續了產品的固有可靠性能，是對產品設計可靠性的維護。因此，應把重點放在產品的設計階段。

本文分析了風電偏航變槳用四點接觸球軸承在使用過程中錐銷設計存在的問題，提出了改進設計方法。實踐表明，通過對偏航變槳軸承錐銷的改進設計，增加了偏航變槳軸承的固有可靠性，降低了偏航變槳軸承在使用過程中的運維成本，延長了風機無憂運行時間。

1 問題分析

偏航系統又稱對風裝置，是風力發電機組獨有的伺服系統，也是風電機組電控系統必不可少的組成部分。它的功能主要有兩個，一是控制風輪跟蹤風向的變化，二是當風機由于偏航作用導致電纜纏繞時，自動解除纏繞，偏航軸承是偏航系統的核心部件。變槳系統是通過控制葉片的角度來控制風輪的轉速，進而控制風機的輸出功率。風力發電機組偏航變槳軸承一般采用單排或雙排四點接觸球轉盤軸承，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 改進前軸承結構示意圖

偏航軸承外圈06和塔架頂部法蘭相連，內圈01與機艙連接，當風向變化需要對正風向時，風機通過偏航驅動帶動齒圈旋轉，由軸承帶動機艙旋轉改變方向，使風機到達預定的風向位置。變槳軸承外圈06和輪轂連接，內圈01與槳葉相連，當槳葉需要調節時，由變槳驅動齒輪驅使軸承旋轉，內圈帶動槳葉旋轉至最佳槳距角位置。另外，在機組出現故障需要緊急停機時，通過變槳軸承使葉片順槳，可以減小機組受力，以保證風機安全可靠停機。

偏航變槳軸承通過螺栓連接，通常情況下錐銷孔占用一個安裝孔位置，錐銷孔和安裝孔一起均布排列。軸承安裝完成后，與錐銷相對應的塔架法蘭或輪轂位置存在一個閑置安裝孔。風機在工作過程中受軸向力、徑向力和傾覆力矩的聯合作用，工況往往比較復雜。偏航軸承工作時，在較大沖擊載荷作用下，鋼球通過錐銷位置時會對塞子產生撞擊，久而久之錐銷就會產生松動。錐銷松動后塞子就會偏離原來位置，這樣鋼球再次通過錐銷位置時就會產生較大的振動，導致軸承早期非正常失效。同樣，變槳軸承在調節風機槳葉過程中，也會使錐銷產生松動，當變槳軸承旋轉至錐銷向下的位置時，錐銷便會在重力作用下脫落掉進輪轂安裝孔中。隨著時間推移，塞子也會在沖擊載荷下脫落，鋼球就會從塞子孔掉出，最終導致軸承非正常失效，風機停止工作。

2 設計改進

偏航變槳軸承的正常使用過程可以分為三個階段，即早期磨合階段、正常運轉階段、壽命急劇下降階段。偏航變槳軸承早期的非正常失效不僅增加了風電機組運維成本，還導致風機不能正常運轉，造成經濟損失。

針對偏航變槳軸承錐銷脫落導致軸承早期非正常失效問題，在軸承設計過程中增加防脫落裝置，改進后的軸承結構示意圖如圖2所示。

圖2 改進后軸承結構示意圖

由改進后軸承結構示意圖知，在原設計基礎上錐銷處增加了防脫落緊固螺釘09和防脫落墊片10。錐銷處增加防脫落裝置后，偏航變槳軸承裝配后防脫落墊片緊緊貼著塔架頂部法蘭面或輪轂表面，可以有效阻止錐銷偏離原來位置。改進后的設計有以下優點：

1）可以有效阻止錐銷在較大沖擊載荷作用下脫落，防止塞子偏離原來位置；

2）提高偏航變槳軸承設計可靠性，使偏航變槳軸承固有可靠性得到提高；

3）降低風機運維成本，節約大量人力物力和財力；

4）可以使風機持續無憂運行，增加經濟效益。

實踐應用表明，偏航變槳軸承錐銷經過改進后可以有效預防錐銷脫落，排除風機運行過程中不安全因素。

3 結束語

通過對偏航變槳軸承錐銷的改進設計，有效地解決了風機在運轉過程中錐銷的脫落問題，降低了風機軸承失效概率；提高了風電軸承的固有可靠性，降低風機運維成本，使風機能夠持續無憂運行，節約大量人力物力和財力。

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The Improved Design of the Cone Pin Structure for Four-point Contact Ball Bearings Used in Wind Turbine Yaw or Pitch System

SHANG Yantao1,2,YANG Desheng1,2,XU Yongzhi3,LIAN Songwei1,2,WANG Lining1,2
(1.Luoyang LYC Bearing Co.,Ltd,Luoyang471039,China;2.State Key Laboratory of Aviation Precision Bearings,Luoyang471039,China;3.Sanmenxia Polytechnic,Sanmenxia472000,China)

This paper introduces the design structure of the yaw and pitch four-point contact ball bearing cone pin,and analyzes the failure form of the cone pin,and then puts forward the improved design scheme for the failure form of the taper pin.The practice indicates that the improved design measures are effective and feasible,it is not only can be improving the designing reliability of the bearing,reducing the operation and maintenance cost of the wind turbine,but also can be ensuring that the wind turbine running smoothly for a long time.

yaw and pitch bearing；taper pin；design；technology improvement

郝安林）

TH133.3

A

1673-2928（2018）02-0040-03

D01:10.19329/j.cnki.1673-2928.2018.02.011

2017-10-09

尚艷濤（1985-）,男，河南洛陽人，碩士研究生，主要研究方向：滾動軸承設計及性能分析。