風電機組主軸及軸承座裝配工藝質量控制

黃彥杰

摘要：裝配是制造過程的最后一個階段，也是決定產品質量的關鍵環節之一。對于不同的產品，裝配過程不同，裝配精度和裝配質量也不同。因此，有必要安排合理的裝配工藝。本文主要針對風力發電機組主軸和軸承座裝置的裝配過程，詳細闡述了如何合理裝配，以有效控制其裝配質量。

關鍵詞：組裝;工藝質量控制

引言

裝配是機械制造和維修中的重要工藝環節。它是根據嚴格的標準和流程，使用適當的工具和機器，對合格的零部件進行必要的協調和連接的過程。裝配技術是機電產品開發和生產的重要環節。裝配工藝的質量直接決定著最終產品的質量。裝配不是合格零件的簡單組合。

高質量的零件和低質量的組裝也可能生產低質量的產品;高質量組裝可以在低精度零部件的基礎上組裝高質量的產品。因此，在研究我單位風電機組主軸和軸承座的裝配時，綜合多種裝配工藝，制定出適合我單位的合理裝配工藝，對提高產品質量具有重要意義。

1主軸軸承類型

在風力渦輪機運行過程中，主軸軸承承受來自葉輪的推力和彎矩等交變載荷以及葉輪本身的重力載荷，并將復雜的氣動載荷過濾為發電機的純扭矩輸出。目前，風力發電機組主要采用承載能力大的滾柱軸承。

1.1調心滾子軸承

調心滾子軸承由帶球面滾道的外圈、雙滾道內圈、保持架和雙列球面滾子組成。由于外圈球面滾道中心與軸承中心一致，具有對中性能，能在一定范圍內自動調整主軸與軸承座的制造裝配誤差和軸的撓度引起的傾斜。該軸承能承受較大的徑向載荷和雙向軸向載荷，適用于風力機傳動鏈低速端的支撐。

采用帶兩件式調心滾子軸承的兩點支承傳動鏈。前軸承作為游動端，只承受徑向力，后軸承作為固定端，同時承受徑向力和軸向力。這種布置有一個稍長的軸系和一個稍重的傳動鏈，但確保了齒輪箱有一個良好的應力環境，并提高了裝置的可靠性。

1.2圓錐滾子軸承

圓錐滾子軸承的內圈和外圈都有錐形滾道，滾子也是錐形的。圓錐延伸，其頂點與軸承軸上的一點相交。因此，軋輥可以在滾道上實現純滾動。圓錐滾子軸承是一種獨立的軸承。軸承的內圈（滾子、保持架和內圈）和外圈可以方便地分離和安裝。

在單點支承的傳動鏈中，通常使用O形排列的雙列圓錐滾子軸承作為支承。軸承外圈與機架直接連接，內圈過盈裝配在主軸上，風輪載荷通過軸承傳遞給機架。該裝置結構緊湊，傳動鏈剛性好，但軸承成本高，多用于大型風力發電機組。

1.3圓柱滾子軸承

圓柱滾子軸承是一種獨立的軸承，安裝拆卸方便，能承受較大的徑向載荷。這種軸承允許內圈軸和外圈軸之間的角度誤差非常小，并且對軸和軸承座的加工精度和剛度有很高的要求。否則，很容易在滾道的接觸部分產生不均勻的載荷或應力集中。對滾子或滾道的接觸母線進行改造后，可以減少應力集中的發生。

圓柱滾子軸承不能承受軸向載荷，通常與X型雙列圓錐滾子軸承結合使用。為了滿足軸承運行精度的要求，前后軸承座整體設計制造。這種排列方式對加工、制造和裝配精度有很高的要求。

2主軸軸承多剛體動力學模型的建立

2.1主軸軸承動力學模型的生成

用UG對230/670CA/W33的調心滾子軸承進行建模，以X_T格式導入Adams。模型導入后，設置系統單位為MMKS，設置重力加速度，將內圈、外圈、保持架分別命名，將滾子進行編號，最后設置調心滾子軸承的材料屬性。

2.2約束的添加

Adams/View中通過在各個構件之間添加不同的約束模擬現實中的運動關系。根據風電機組主軸軸承實際運行條件，設置外圈固定，內圈旋轉，滾子與內外圈及保持架之間添加接觸。

2.3接觸力的定義

滾子與內外圈及保持架之間為接觸約束，Adams對零部件間的接觸力定義為零部件間的碰撞力。AdamS中計算碰撞力的方法有兩種：一是恢復系數法;二是沖擊函數法。本文要得到比較準確的碰撞力，因此選用沖擊函數法。接觸力分為兩部分：正壓力和摩擦力。正壓力用impact函數法進行計算，摩擦力用coulomb法進行計算。

impact函數的表達式為

δ≤δ0（7）

δ>δ0

式中，K為剛度系數;δ0為兩碰撞物體間初始距離;δ為實際碰撞過程中的實際距離;Cmax為最大阻尼系數;e為碰撞指數;d為刺入深度。

2.4碰撞參數的設定

由Adams沖擊函數定義可知，求解碰撞力需要確定剛度系數K、最大阻尼系數Cmax、碰撞指數e、阻尼系數達到最大值時的刺入深度d。

2.4.1剛度系數K

調心滾子軸承屬于線接觸，由赫茲接觸理論得

Kj=7.86×104l8/9（N·mm-10/9）式中，l為滾子有效長度。

2.4.2碰撞指數e

碰撞指數e反映材料的非線性程度，對于金屬其推薦值為1.3～1.5。

2.4.3最大阻尼系數Cmax

最大阻尼系數Cmax表示碰撞的能量損失，通常設為剛度系數K的0.1%～1%。

3與軸承座間的配合對軸承的影響

調心滾子主軸軸承外圈為靜止套圈，受局部載荷，一般采用間隙配合，允許外圈在載荷作用下產生微量的圓周滑動，以緩慢改變其承載區域，使套圈滾道表面圓周方向均勻受力。軸承運轉時，由于摩擦，外圈溫度高于軸承座，兩者間由于材料線膨脹系數的不同及溫差的影響而使間隙值發生變化。軸承與軸承座之間的配合應保證不會在軸承運行過程中產生過大的熱脹應力，由溫差引起的兩者間隙值變化量可由下式估算：

ΔST=（0.1～0.15）ΔTαd.式中：ΔST為溫差引起的間隙值變化量，mm;ΔT為外圈與環境溫差，℃;α為線膨脹系數。軸承鋼線膨脹系數約為12.5×10-6/℃;d為軸承外徑，mm。

4結語

不同軸承類型的傳動方案各有優缺點，可根據機組實際運行條件及經濟性評價選擇配置。對兩點支撐式傳動鏈調心滾子主軸軸承的靜力學分析、軸承選型計算、軸承與周邊結構件的匹配設計進行研究，可為風力發電機組傳動系統的設計提供參考。

參考文獻

[1]洛陽軸研科技股份有限公司.全國滾動軸承產品樣本：第2版[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]楊校生.風力發電技術與風電場工程[M].北京：化學工業出版社，2011.