摘要：隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)上供應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組的功率等級(jí)基本上是兆瓦級(jí)，而且功率呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。介紹了兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組3點(diǎn)支承和2點(diǎn)支承的主軸軸承設(shè)計(jì)，其中2點(diǎn)支承的主軸軸承方案包括7種結(jié)構(gòu)形式，對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了介紹，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，為兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組主軸軸承設(shè)計(jì)選型提供了參考。

　　風(fēng)電機(jī)組主軸軸承是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，由于其所使用的環(huán)境惡劣(腐蝕、風(fēng)沙、潮濕和低溫)、受載情況復(fù)雜以及安裝維護(hù)不便，所以應(yīng)對(duì)主軸軸承的設(shè)計(jì)和選型進(jìn)行充分的分析和論證，確保其在20年壽命內(nèi)能安全可靠地運(yùn)行。沈德昌等指出，軸承是風(fēng)電機(jī)組中的薄弱環(huán)節(jié)，也是風(fēng)電機(jī)組的主要故障點(diǎn)之一。很多實(shí)際經(jīng)驗(yàn)告訴我們，設(shè)計(jì)初期方案的確定和選型會(huì)對(duì)軸承的故障產(chǎn)生巨大的影響。

　　目前，用于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的主軸軸承的形式主要有3點(diǎn)支承的軸承設(shè)計(jì)和2點(diǎn)支承的軸承設(shè)計(jì)，其中3點(diǎn)支承的軸承方案主要是球面滾子軸承與2個(gè)圓柱滾子軸承的組合，而2點(diǎn)支承的軸承方案又分為球面滾子軸承與調(diào)心滾子軸承組合、球面滾子軸承與圓柱滾子軸承組合、雙列圓錐滾子軸承與圓柱滾子軸承組合、2個(gè)單列圓錐滾子軸承組合(又分長(zhǎng)軸和短軸這2種設(shè)計(jì)方案)、面對(duì)面的雙列圓錐滾子單軸承以及集成設(shè)計(jì)。

　　3點(diǎn)支承的軸承結(jié)構(gòu)一般為在風(fēng)輪側(cè)設(shè)計(jì)為獨(dú)立軸承室，軸承室內(nèi)安裝1個(gè)球面滾子軸承，主軸與齒輪箱采用脹緊套連接，2個(gè)圓柱滾子軸承安裝在齒輪箱內(nèi)，而齒輪箱采用扭力臂進(jìn)行支承，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　這種軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是軸承本身的設(shè)計(jì)和制造的難度小，可以承受齒輪箱所要求的較大偏轉(zhuǎn)角。其缺點(diǎn)如下：

　　2)主軸承上沒(méi)有預(yù)緊力，加載后軸向位移相對(duì)較大，同時(shí)由于沒(méi)有預(yù)緊力，單個(gè)滾子可能存在不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，從而導(dǎo)致滑動(dòng)，這樣會(huì)產(chǎn)生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命;

　　球面滾子軸承+調(diào)心滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式一般為主軸被2個(gè)軸承支承，靠近風(fēng)輪側(cè)的主軸承為球面滾子軸承，而靠近齒輪箱側(cè)的主軸承為調(diào)心滾子軸承，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　這種軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有或較少的載荷作用在齒輪箱上，同時(shí)依靠扭力臂來(lái)承受較小的變形，并且裝配比較簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)如下：

　　2)主軸承上沒(méi)有預(yù)緊力，受載后軸向位移相對(duì)較大，同時(shí)由于沒(méi)有預(yù)緊力，單個(gè)滾子可能存在不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，從而導(dǎo)致滑動(dòng)，這樣會(huì)產(chǎn)生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命;

　　球面滾子軸承+圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式一般為主軸被2個(gè)軸承支承，靠近風(fēng)輪側(cè)的主軸承為球面滾子軸承，而靠近齒輪箱側(cè)的主軸承為圓柱滾子軸承，2個(gè)主軸軸承共用1個(gè)軸承室，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　這種軸承結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有或較少的載荷作用在齒輪箱上，同時(shí)依靠扭力臂來(lái)承受較小的變形，并且裝配比較簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)如下：

　　2)主軸承上沒(méi)有預(yù)緊力，受載后軸向位移相對(duì)較大，同時(shí)由于沒(méi)有預(yù)緊力，單個(gè)滾子可能存在不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，從而導(dǎo)致滑動(dòng)，這樣會(huì)產(chǎn)生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命;

　　4)由于圓柱滾子軸承對(duì)內(nèi)外圈的同軸度和相對(duì)偏斜較敏感，在設(shè)計(jì)或者裝配不良的情況下，球面滾子軸承的徑向游隙將導(dǎo)致圓柱滾子的損壞;

　　雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式一般為主軸被2個(gè)軸承支承，通常靠近風(fēng)輪側(cè)的主軸承為雙列圓錐滾子軸承，而靠近齒輪箱側(cè)的主軸承為圓柱滾子軸承，2個(gè)主軸軸承共用1個(gè)軸承室，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　1)圓柱滾子軸承由于沒(méi)有預(yù)緊力，單個(gè)滾子可能存在不轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致滑動(dòng)，這樣會(huì)產(chǎn)生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命，對(duì)于3MW以上的機(jī)組所用的圓柱滾子軸承，滾子質(zhì)量和慣性力大，圓柱滾子軸承由于沒(méi)有預(yù)緊力，可能會(huì)導(dǎo)致滾子打滑損壞，出現(xiàn)微點(diǎn)蝕的可能性較大;

　　2個(gè)小直徑的單列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式一般為主軸被2個(gè)圓錐滾子軸承支承，2個(gè)主軸軸承共用1個(gè)軸承室，主軸一般為直徑較小且長(zhǎng)度較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　5)由于2個(gè)軸承一般處于預(yù)緊狀態(tài)，因此軸系的整體剛度相對(duì)較大，在較大的動(dòng)態(tài)載荷作用下，軸系的結(jié)構(gòu)變形相對(duì)較小，能夠承受較大的動(dòng)態(tài)載荷。

　　2個(gè)大直徑的單列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式一般為主軸被2個(gè)大直徑的圓錐滾子軸承支承，2個(gè)主軸軸承共用1個(gè)軸承室，主軸一般為直徑較大且長(zhǎng)度較短的結(jié)構(gòu)，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　5)由于該種配置一般選用較小的滾子接觸角小，因此動(dòng)軸和定軸之間的溫差、溫度變化以及裝配誤差等問(wèn)題對(duì)軸系的預(yù)緊影響相對(duì)較小，軸承壽命受環(huán)境和裝配誤差影響較小;

　　2)軸承對(duì)溫度的變化比較敏感，但對(duì)于主軸軸承，由于轉(zhuǎn)速比較低，溫度變化比較小，所以影響也比較小;

　　單軸承的結(jié)構(gòu)形式一般為主軸被1個(gè)大直徑的圓錐滾子軸承支承，主軸一般為直徑大且比較短的結(jié)構(gòu)，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　1)隨著功率等級(jí)的增加，軸承的直徑會(huì)越來(lái)越大，例如6 MW容量等級(jí)的機(jī)組單軸承的軸承外徑達(dá)到3.6m，很少有軸承廠家能夠加工制造，因此價(jià)格比較高;

　　2)由于軸承直徑較大，因此軸承密封設(shè)計(jì)較困難，常規(guī)設(shè)計(jì)不能達(dá)到較好密封效果，軸承密封成本較高;

　　4)滾子類(lèi)似于圓柱，預(yù)緊力較小時(shí)會(huì)存在扭轉(zhuǎn)的情況，導(dǎo)致所有的載荷作用在1個(gè)轉(zhuǎn)子單元上，從而導(dǎo)致其損壞。

　　集成設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式為主軸被2個(gè)單列圓錐滾子軸承承撐，2個(gè)軸承共用1個(gè)軸承室，齒輪箱和主軸之間采用過(guò)盈配合或花鍵聯(lián)接，軸承室與齒輪箱的箱體通過(guò)螺栓聯(lián)接在一起，也就是說(shuō)主軸系與齒輪箱集成在一起，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

　　5)因?yàn)辇X輪箱與主軸系集成為一體，所以主軸承可采用油潤(rùn)滑，降低主軸潤(rùn)滑的污染情況，改善軸承的潤(rùn)滑，對(duì)軸承的壽命有利。

　　3)軸承對(duì)溫度的變化比較敏感，但對(duì)于主軸軸承，由于轉(zhuǎn)速比較低，溫度變化比較小，所以影響也比較小。

　　叁上述詳細(xì)列舉了兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組主軸承的幾種主要布置形式及軸承的選型配置，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，為兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組主軸軸承的設(shè)計(jì)選型提供了參考。

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