摘要: 风力发电机用转盘轴承为一种特大型轴承, 主要用于变桨和偏航系统, 受载复杂, 且拆装维护非常困难,因此风电转盘轴承的设计和制造要求严格。结合国内、外的实践经验和研究成果, 论述了风电转盘轴承设计和制造的关键技术, 重点分析了风电转盘轴承的选型、寿命预测技术, 机加工、热处理技术等, 以期对国内风电转盘轴承的自主创新有所帮助。

关键词: 滚动轴承; 转盘轴承;

      风力发电机近年来由于环境和能源问题日趋紧张, 风电作为一种可再生绿色能源越来越受到世界关注,尤其是近十年, 全球风电累计装机容量的年均增长率接近30% , 到2009年底世界总的风能发电容量将突破12 亿万MW。据欧洲《风力十二》的规划和预测, 到2020年全世界风能装机容量将达到123. 1万MW, 这一水平是2005年的21 倍, 年平均增速高达20%, 届时风电将占世界电力供应的12% [ 1] 。

      近十几年中国风电装机容量迅猛增加, 从1995年至今, 我国风电装机容量年增长率超过46%。按照国家《可再生能源中长期发展规划》提出的目标到2010年我国风电装机容量将达0. 5万MW, 到2015 年我国风电装机容量达1. 5 万MW, 到2020 年我国风电装机容量达3. 0 万MW[ 3] 。现在2010年的目标已提前三年完成, 按照目前发展速度, 预计到2020年我国风电装机容量将达8. 0万MW, 在2030年后风电将成为我国继煤炭、石油之后的第三大能源。

     风电能源的需求拉动风电产业的发展, 长期以来国内风电产品大多依赖进口, 市场一直被丹麦、德国、美国、西班牙等欧美国家把持。近年来,在市场的诱导和政策的促进下国内涌现出了一批优秀企业, 从市场份额看, 国产机组比例也在上升, 目前国内叶片、齿轮箱、发电机等零部件已基本能实现自主生产, 但轴承、控制系统等还是主要依赖进口[ 4] 。

       转盘轴承是一种特大型轴承, 内圈或外圈带有传动齿, 可以和驱动小齿轮啮合传动扭矩, 在风力发电机中一般用于偏航系统和变桨系统中, 由于安装位置不易拆装且拆装费用高, 周期长, 对偏航和变桨转盘轴承的寿命和可靠性提出了严格要求, 一般要求风电转盘轴承的寿命要与机组寿命相同, 且在20 年以上[ 5- 6] 。从世界范围来看, Rothe Erde, FAG, SKF等著名轴承公司的风电转盘轴承产品质量已得到广泛的认可, 国内近年来也相继有厂家投入风电转盘轴承的生产, 但质量水平还有待长时间装机应用的验证。风电转盘轴承质量的保证不外乎设计和制造两个方面, 本文综合国内、外部分企业和机构对风电转盘轴承的设计和制造经验, 对风电转盘轴承的设计和制造关键技术作了探讨, 以期能够对相关企业和设计人员有所帮助。

1 风电转盘轴承的设计

      1. 1 选型

      转盘轴承一般有单排四点接触球式、双排四点接触球式、交叉滚子式、三排滚子式等形式, 其中单排四点接触球式转盘轴承成本较低, 且综合性能较高; 双排球式转盘轴承使用寿命长, 承载能力强, 回转阻力小, 允许磨损量大, 对安装基座要求不高, 但其运动精度较低; 交叉滚子式转盘轴承精度高, 寿命长, 动载荷容量较高, 但对基座刚性和精度有较高要求, 且滚子与滚道在接触时易发生边缘效应, 导致边缘实际应力远大于设计应力;三排滚子式转盘轴承一般具有非常高的静承载能力[ 7] 。在一般的应用场合, 通常认为中小规格的转盘轴承应以四点接触单排球式为主, 大规格的转盘轴承应以三排滚子式为主[ 8 ] 。

      长期以来, 转盘轴承主要应用于工程机械, 选型计算主要也是借助承载能力曲线, 按照静载强度选型, 动载校核, 静载与动载的处理手段也仅在于安全系数的选取不同[ 9] 。国内标准统一规定了每种规格转盘轴承承载能力曲线, 很显然由于生产厂家的制造水平有差异, 每个厂家生产的转盘轴承承载能力也会有一定的差异。风电转盘轴承除了受较大的倾覆力矩外, 由于空气动力和叶轮转动还承受非常复杂的疲劳载荷, 再加上高可靠性和寿命的要求, 使得风电转盘轴承在选型和设计时更应注意转盘轴承的动态承载能力, 主要是滚道的抗疲劳寿命。风电转盘轴承, 尤其是变桨转盘轴承究竟选用哪种形式, 许多大型跨国企业还在研究之中, 从目前的装机使用情况来看, 变桨转盘轴承多采用双排四点接触球转盘轴承, 偏航转盘轴承多采用单排四点接触球转盘轴承[ 10- 12] ,也有少量采用交叉滚子转盘轴承或其他形式。国内标准虽然对变桨和偏航转盘轴承的结构形式作了规定, 但并没有给出合理的解释。

      1. 2 寿命计算

      风电转盘轴承尺寸很大, 转速较低, 普通轴承的寿命评定准则在许多情况下对转盘轴承并不适用。目前转盘轴承的寿命通常有两种求解方法:一种是转盘轴承承载能力曲线法[ 13 - 14] , 另一种是当量动载荷法。

      1. 2. 1承载能力曲线法

      用转盘轴承承载能力曲线法求解转盘轴承的寿命, 首先要像转盘轴承规格选型一样在承载能力曲线图中标出轴向力和倾覆力矩的交点, 连接坐标原点和交点并延伸, 使延伸线和承载能力曲线相交得到交点的力矩和轴向力(图1), 解出曲线上载荷与实际载荷比值, 实际寿命即为曲线额定寿命乘以一个与比值相关的系数(本曲线额定寿命为30 000 r)。

      式中: fL 为载荷比系数; Fa0为承载能力曲线上对应轴向载荷; M 0 为承载能力曲线上对应的倾覆力矩; Fa 为转盘轴承实际承受的轴向载荷; M 为转盘轴承实际承受的倾覆力矩; G 为转盘轴承寿命; p为寿命计算指数(球式转盘轴承p= 3; 滚子式转盘轴承p = 10 /3)。

      风电转盘轴承一般都不止一个工况, 尤其是不同的风速对转盘轴承的承载情况影响非常大,因此在求解风电转盘轴承寿命时, 必须要考虑多种工况对转盘轴承寿命的综合影响。

      式中: G eq为多工况等效寿命; tm 为第m 种工况在转盘轴承总工作时间中占比例; Gm 为若单以第m种工况工作转盘轴承的寿命。

      1. 2. 2 当量动载荷法

      当量动载荷法求解转盘轴承的寿命, 主要分为以下几个步骤: 求解额定动载荷容量; 确定寿命调整系数; 确定当量动载荷; 计算转盘轴承的寿命。当量动载荷法借用轴承的相关理论, 转盘轴承的寿命定义为一定可靠度下转盘轴承能转过的转数, 一般定义可靠度为90% ( 10% 的失效率)时的转盘轴承寿命为基本额定寿命。

      转盘轴承基本额定寿命为

      式中: L10为转盘轴承基本额定寿命( 106 r); Ca 为转盘轴承额定动载荷; Pa 为转盘轴承当量动载荷。任意可靠度下转盘轴承的寿命为

      式中: Ln 为失效率为n% 时的转数( 106 r) ; a1 为可靠性修正系数; a2 为滚道硬度修正系数; a3 为润滑状况修正系数。

      式中: Pm 为第m 种工况的当量动载荷; Nm 为第m种工况下转盘轴承的转速; x 为指数, 当转盘轴承大角度转动时, 球轴承x= 3, 滚子轴承x= 4; 当转盘轴承小角度抖动时, 球轴承x= 10 /3, 滚子轴承x= 9 /2。

      1. 3 CAD /CAE技术的应用

      现在常用的转盘轴承设计理论包含了大量的假设和简化, 对转盘轴承的几何参数、热处理质量、滚道表面粗糙度、支承圈刚度、安装基座刚度、基座安装面粗糙度等影响因素考虑不够充分。随着计算机技术的进步, 转盘轴承的CAD /CAE 系统可以帮助设计者在综合考虑各种因素的基础上优化转盘轴承的设计。国外许多大型转盘轴承制造厂家都有各自的CAD /CAE系统, 国内第一代转盘轴承CAD设计软件是1985 年由徐州罗特艾德公司开发的, 2000年上海交通大学模具CAD 国家工程中心在转盘轴承的设计中应用了专家系统、有限元分析技术和参数化绘图技术, 构造了集设计、结构分析和自动绘图于一体的转盘轴承CAD 系统, 然而这项技术并没有被国内生产厂家广泛应用。

      目前转盘轴承的CAE 大多是通过FEM 方法来实现的, FEM 是目前已经相当成熟的一种分析技术。分别用FEM 方法对转盘轴承的载荷分布和最大接触压力进行了研究, 在分析中可以考察滚道各几何参数及安装基座刚度对转盘轴承载荷分布及最大接触压力的影响。研究发现, 转盘轴承在受倾覆力矩时载荷分布并不完全符合余弦规律, 在倾覆轴线附近出现理论接触压力为零的轻载区域, 轻载区域的大小随游隙的增大而增大, 为减小或消除轻载区域, 转盘轴承可采用负游隙, 使载荷分布更为均匀; 研究还发现,当安装基座的刚性较小时, 转盘轴承的载荷分布曲线呈明显“双驼峰”型, 这将为确定转盘轴承承载能力, 评估转盘轴承可靠性和寿命带来困难, 因此在风电转盘轴承的设计过程中应充分考虑轮毂和塔筒的刚性。

      FEM方法还可用于安装螺栓的强度和疲劳分析 , 齿圈强度和疲劳分析, 也有研究者用FEM法预测齿圈在热处理时的变形, 以合理预留精加工余量, 确保淬硬深度 。

2风电转盘轴承的制造

      2. 1 一般工艺流程

      目前世界上风电转盘轴承套圈制造材料大多用42C rM o4 , 其具有良好的低周疲劳特性 。按照国内标准规定, 风电转盘轴承的套圈通常采用42CrMo 制造, 传动系统套圈一般采用ZGCr15或ZGC r15SMi n制造, 坯件可锻制而成。

      转盘轴承制造的一般工艺流程包括: 粗车转盘轴承套圈内外直径、端面及止口, 无齿圈钻削堵塞孔、锥销孔, 半精车滚道, 齿圈粗加工, 热处理,齿圈精加工, 精车转盘轴承套圈端面、滚道、止口、密封槽等, 钻削转盘轴承安装孔及无齿圈注油孔,滚道精加工(磨削) , 装配。

      2. 2 支承圈机加工

      转盘轴承的主要技术性能指标有: 滚道表面硬度及淬硬层深度, 滚道与滚动体曲率比, 滚道接触角, 安装孔的位置度, 齿轮中频淬火硬度及淬硬层深度 。其中除了硬度及淬硬层深度参数, 其余的参数都与机加工质量有关。

      车削和磨削是转盘轴承加工中运用最多的加工手段, 车削滚道和磨削滚道(或精车代磨)是决定转盘轴承制造质量的关键工序, 转盘轴承接触角、滚道中心直径、间隙的控制也都依赖于这两道工序。随着数控技术的发展和广泛应用, 现在的转盘轴承车、磨设备大都是数控机床, 数控加工工艺参数的优化是保证转盘轴承制造几何质量的关键。

      设备本身的误差对转盘轴承的加工质量影响也非常大, 往往需要进行软件补偿。数控立车在加工转盘轴承滚道时, 其非线性几何误差对转盘轴承的接触角、滚道开口、滚道型面都有非常大的影响[ 24] 。滚道一般是仿形磨削, 砂轮的几何参数将直接复制到滚道上, 直接决定了滚道与滚动体的曲率半径比, 因此砂轮的选用非常重要。转盘轴承滚道截面间隙对转盘轴承的承载能力影响非常大, 砂轮既已选定, 对间隙起决定影响的就是转盘轴承滚道磨削进给量。另外, 由于磨削一般安排在滚道热处理后, 因此磨削进给时还必须考虑淬硬层深度, 如果磨削量太大, 就很有可能使淬硬层深度不足, 但是考虑到支承圈在热处理后应力释放的变形, 精加工余量又不能留得太小, 同时精加工余量的留取又直接关系到生产效率和加工精度, 因此这一对矛盾在编制工艺时必须要谨慎考虑。

     2. 3 支承圈热处理

      支承圈的热处理包含支承圈的整体正火和调质、滚道淬火、齿面淬火。由于转盘轴承在实际使用过程中的损坏98% 来自滚道的损坏 , 因此滚道淬火质量对转盘轴承的承载能力和使用寿命影响很大。转盘轴承滚道的热处理参数主要有: 表面淬火硬度、淬硬层深度。转盘轴承滚道表面淬火硬度对其承载能力影响很大(表1) , 标准中通常以滚道表面硬度55 HRC 的转盘轴承静载荷为额定静载荷, 一般要求滚道表面硬度能达到55~62HRC。

      除了静载荷能力, 滚道表面淬火硬度对转盘轴承的动载荷(寿命)也有相当大的影响, ( 6)式反映了滚道表面淬火硬度对转盘轴承寿命的影响。足够的淬硬层深度h 是滚道不发生剥落的重要保证, 如果淬硬层深度不足, 导致滚道表面以下较软, 很有可能发生滚道压溃现象。国内定义转盘轴承淬硬层深度为表面到48HRC的深度, 国外一般认为淬硬层深度为表面到50 HRC 的深度。转盘轴承在制造时往往会忽略支承圈心部硬度,较高的心部硬度是滚道抗压溃能力的重要保障,国外一般认为大于110% h 深度即算作滚道的心部。目前还没有转盘轴承滚道淬硬层深度和心部硬度的无损检测方法, 制造时主要依靠设备来保证。因为接触椭圆尺寸取决于载荷和接触体直径,所以制造时淬硬层深度h 也应根据滚动体直径d制定。国内标准规定的淬硬层深度如表2所示。

      套圈热处理变形主要分为平面挠曲影响平面度变形和径向影响圆度的变形。为确保淬硬层深度和加工精度, 套圈热处理时必须要考虑热处理后的应力释放变形。套圈直径越大越难控制, 必要时可采用压淬、压冷的方法, 用模具加压强行控制变形, 直至残余应力基本退去。

      2. 4 润滑、密封与防腐

      转盘轴承润滑的目的是减小回转阻力矩, 延长转盘轴承的使用寿命, 常用润滑方式有脂润滑和油润滑。转盘轴承最常用钙基润滑脂在长时间工作后会老化并与磨损形成的铁屑结块, 影响滚动体在滚道内的运行; 锂基润滑脂长时间工作后老化成白色水状, 不会影响滚道内滚动体运行, 因此, 风力发电机所用的润滑剂大多为复合锂基润滑剂[ 26 - 27] 。而风力发电机工作环境恶劣, 经常需在极高温、极低温、昼夜温差大的环境下工作。针对我国风力发电机的分布情况, 风电转盘轴承要求润滑剂要有极压抗磨性能、低温性能、热稳定性等, 国外一般推荐使用含固体添加剂的1〝 稠度的低温润滑脂, 在- 40 ℃ 以下仍能有效润滑, 国产润滑脂可用7011低温极压润滑脂 。

     在润滑方式上, 目前大多数机械是采用人工通过油杯注入润滑剂, 加入润滑剂的时间和量都仅凭经验确定, 随意性较大, 并且很容易出现润滑不均匀现象。风电转盘轴承的润滑要求较高, 且人工不易到达, 必须采用自动润滑系统。

      转盘轴承密封一方面保护转盘轴承使外界的尘埃、水、有害气体等不会进入滚道, 以免损坏转盘轴承; 另一方面是保护转盘轴承内部润滑剂不会流失, 使转盘轴承处于润滑状态。水或其他的易腐蚀物质进入滚道后, 长时间会造成滚道和滚动体的锈蚀; 尘埃等固体杂质进入滚道, 会在滚道和滚动体之间形成磨粒, 引起脱皮和剥落甚至产生凹坑; 润滑剂流失, 则易导致干摩擦, 增大回转阻力矩, 加剧滚动体和滚道的磨损[ 29] 。尤其是海上风力发电机, 长期工作于海上腐蚀性盐雾环境下, 必须严格保证密封质量。

      转盘轴承密封圈的材料一般采用丁腈橡胶 ( SN7453) , 结构形式一般为唇形密封。对于气候条件较差, 温差较大的地区, 风电转盘轴承的密封圈材料可用沸石基橡胶, 其适应温度范围比腈基橡胶大得多, 并且最高适应温度可达到200 ℃ 左右。在密封结构方面, 国外某些大企业对风电转盘轴承特别采用了一种双唇形密封的结构, 这种结构可以有效地防止辐射和氧化性气体进入滚道, 确保滚道质量。对于某些环境非常特别的风场, 密封圈材料和结构还应特别考虑。

     一般情况下, 除了转盘轴承的齿面和滚道, 转盘轴承的其他部分还应进行防腐处理, 通常的处理方法是先进行喷砂处理再热喷涂(镀锌或铬)处理。

3结束语

     ( 1)从全球及国内风力发电机装机容量发展趋势和发展规划来看, 在未来相当长一段时间内国内、外风电产业仍将有迅猛的发展。国内风电产品要提高市场竞争力, 推进国产化, 首先就要提高国内风电轴承等关键零部件的设计和制造技术, 提高产品质量。

     ( 2)风电转盘轴承选型、设计首先要考虑其运行的可靠性和寿命。承载能力曲线法预测寿命简单易行, 多用于大型转盘轴承制造企业, 然而承载能力曲线的建立需要以大量的试验和实践为依据; 当量动载荷法可以更详尽地考虑各种因素对转盘轴承寿命的影响, 更适用于从理论上分析和优化转盘轴承的选型和设计。

      ( 3) 运用CAD /CAE 系统可以在设计转盘轴承时综合考虑基座刚度、滚道参数、连接螺栓等各种影响因素, 考虑到风电转盘轴承对可靠性和寿命的要求, 在设计时应运用CAD /CAE系统对转盘轴承进行全面系统的分析, 以便于对转盘轴承可靠性和寿命作出尽量准确的预测。

      ( 4)转盘轴承的质量主要取决于其滚道的质量, 包括机加工质量和热处理质量, 而目前国内滚道质量的检测手段缺乏, 滚道的质量主要依靠装备和工艺保证, 因此保证转盘轴承质量的关键在于合理选择装备和工艺。

      ( 5)风电转盘轴承通常工作于非常恶劣的环境中, 对转盘轴承的润滑、密封、防腐都有特别高的要求, 可以通过选用合适的润滑剂和润滑方式、密封材料和密封结构、防腐工艺来满足要求。