風力發電機主軸組件裝配的定位裝置設計

馬國榮，趙海燕

（浙江運達風電股份有限公司風力發電系統國家重點實驗室，浙江 杭州310012）

風力發電機主軸組件是連接風輪與發電機的橋梁，是風力發電機組傳動系統中最關鍵的部件。風力發電機主軸組件由主軸、調心軸承、軸承座、主軸承前后端蓋、主軸承前后擋圈、風輪鎖緊盤等組成[1]（圖1）。安裝時調心軸承內外圈相對位置，影響調心軸承的游隙，而游隙是否準確，直接影響調心軸承的使用壽命、傳動系統的效率和傳動系統是否產生噪聲，從而影響整個風電機組的使用壽命及發電量。目前，有一些簡易工裝，但均未能將調心軸承內外圈之間位置準確定位。軸承游隙不易控制、穩定性差，裝配質量易受到影響，并且每次都得測量，安裝效率低。

因此，為提高主軸組件的裝配質量和裝配效率，設計一種能定位調心軸承內外圈間相對位置的裝置，以滿足主軸組件裝配生產需求。

圖1 主軸組件

1 定位裝置關鍵結構設計

主軸組件裝配采用主軸垂直放置，然后依次將風輪鎖緊盤、主軸承前擋圈、主軸承前端蓋、調心軸承、軸承座、主軸承后擋圈、主軸承后端蓋裝入主軸，再將主軸承前（后）端蓋連接至軸承座上。調心軸承內圈的位置由主軸承前擋圈確定，而調心軸承外圈的位置由主軸承前端蓋確定。根據圖1所示主軸組件上的主軸、調心軸承、主軸承前后端蓋、主軸承前后擋圈、風輪鎖緊盤均為旋轉的對稱結構件，而軸承座為非對稱結構件，因此當軸承座套入調心軸承后，軸承座會向一側傾斜，帶動調心軸承的外圈也向一側傾斜，這就可能導致主軸承前端蓋與主軸承座連接時，主軸承前端蓋連接端面與軸承座結合面沒有完全接觸，待主軸組件安裝到機艙座上成水平位置時，調心軸承外圈回不到準確的位置，導致軸承的游隙過小，當主軸受力產生變形時卡死軸承，或導致主軸承前擋圈前端面未與軸承外圈接觸，軸承軸向串動，產生異響，影響軸承使用壽命。

因此，為保證調心軸承內外圈相對位置在理論設計的范圍內，定位裝置結構設計時必須考慮以下事項：

1）選擇調心軸承內圈或是外圈作為相對位置的基準面。按照目前主軸組件結構，主軸承前擋圈熱套后安裝在主軸上，并且在主軸軸向上有軸肩定位，因此選擇調心軸承內圈作為相對位置的基準面較為合適。

2）須設置3個及以上的支撐點作為調心軸承的定位面。相對位置的基準面確定后，調心軸承外圈采用3個支撐點形成一個支撐面來作為定位面，若要采用多于3個以上的支撐點，則須考慮支撐點過定位解決方式。

3）支撐點的支撐臂須有足夠的剛度。支撐點的支撐臂剛度影響調心軸承外圈定位精度，若支撐臂撓度大于主軸承前端蓋安裝面的設計形位公差，則該定位裝置失去了定位作用。

4）裝置需適合不同型號主軸組件的裝配。定位裝置設計時須考慮設置有調整機構或調整塊，以適應不同型號主軸組件尺寸鏈的變化，適合更多型號的主軸組件裝配。

5）操作需簡單、方便、高效，勞動強度低。

2 定位裝置結構組成

風力發電機主軸組件裝配定位裝置（圖2）由立柱、定位支架、輔助支撐、軸承外圈定位塊、軸承內圈定位塊、底架、定位支架支撐塊防轉銷、定位支架高度調節器、定位支架支撐塊、鎖緊螺母等組成。選擇調心軸承的內圈作為調心軸承內外圈相對位置的基準點，通過調整主軸承前擋圈與主軸承前端蓋間的相對位置，來保證調心軸承內外圈的準確位置。更換軸承外圈定位塊和軸承內圈定位塊，可適用多種風力發電機型號的主軸組件裝配。若將定位支架高度調節器和輔助支撐改為動力升降、定位支架增加動力旋轉，則該裝置可實現半自動化裝配。

圖2 定位裝置的結構組成

本設計例為手動操作，采用三點支撐來定位調心軸承外圈。首先，將三個定位支架向外旋轉一角度，吊入主軸放置在底架上定位，安裝風輪鎖緊盤，加熱主軸前擋圈后裝入主軸，向內旋轉三個定位支架至預設定位置，調整定位支架高度調節器高度，使軸承內圈定位塊與主軸前擋圈接觸，此時定位支架已將調心軸承內外圈的相對位置調整完畢，調節輔助支撐，使輔助支撐的支撐端與安裝風輪鎖緊盤接觸，鎖緊螺母固定住定位支架位置，接下去安裝主軸承前端蓋、調心軸承、主軸承座及其他零件，安裝完畢，擰松輔助支撐、鎖緊螺母、定位支架高度調節器，再次將三個定位支架向外旋轉一角度，將主軸組件吊離底架。該裝配定位裝置具有如下優點：

1）可確保調心軸承內外圈位置在設計要求的范圍內；

2）定位支撐塊和定位支架高度調節器組合配置，使該裝置能適用多種型號的風力發電機組主軸組件安裝；

3）更換風力發電機組主軸型號時，一次預調，可批量生產。

3 定位裝置強度有限元分析

為使定位裝置有足夠的剛強度，需對定位裝置進行有限元分析，本實例的有限元計算：主軸組件重18 000 kg，主軸軸承座2 495 kg，定位裝置的材質采用Q345E，其彈性模量E=2.06×105MPa；密度 ρ=7.85 × 10-6kg/mm3；屈服極限 σs=335 MPa；泊松比μ=0.3[2]。

三維模型由Solidworks建立，并通過Solidworks與Ansysworkbench14.5的接口功能，導入到Ansysworkbench中進行靜強度結構分析。

網格劃分采用自動劃分法，設置網格劃分Sizing為 20 mm，共生成節點（Nodes）229 563，生成單元（Elements）117 027，有限元網格劃分結果[3]如圖3所示。

圖3 定位裝置有限元網格劃分圖

邊界約束：定位裝置底架、立柱和輔助支撐的底面全約束，主軸承座、調心軸承外圈和滾子、支撐密封圈壓環、軸承前后端蓋的重量引起的重力加載到定位裝置的支撐外圈定位塊上，然后對定位裝置進行剛度（Total）和強度（Von Mises）分析[3]。圖 4 為定位裝置的撓度分布云圖，圖5為定位裝置的應力分布云圖。

圖4 定位裝置的撓度分布云圖

圖5 定位裝置的應力分布云圖

分析結果表明，定位裝置的最大撓度在支撐內圈的定位塊端部，最大撓度為4.47×10-2mm，強度的最大應力為42.93 MPa，在立柱與底架的連接橫梁上。

像這類帶懸臂狀的定位工裝裝置，結構剛度的校驗是重點[4]，定位用的懸臂端部的最大撓度應小于產品零部件安裝面的設計形位公差。本設計中，軸承座前后端蓋連接面的設計形位公差為8×10-2mm，軸承座連接端面的設計形位公差為1.0×10-1mm，故本實例完全滿足主軸組件安裝時對調心軸承定位要求。

4 結束語

對主軸組件的結構組成及安裝工藝進行了分析，提出了解決安裝調心軸承時保證軸承內外圈準確相對位置的一種方法。并通過實例有限元結構分析，結果表明該裝置完全能滿足準確、快速、高質量的主軸組件安裝要求。