摘要: 風力發電機用轉盤軸承為一種特大型軸承, 主要用于變槳和偏航系統, 受載復雜, 且拆裝維護非常困難,因此風電轉盤軸承的設計和制造要求嚴格。結合國內、外的實踐經驗和研究成果, 論述了風電轉盤軸承設計和制造的關鍵技術, 重點分析了風電轉盤軸承的選型、壽命預測技術, 機加工、熱處理技術等, 以期對國內風電轉盤軸承的自主創新有所幫助。
關鍵詞: 滾動軸承; 轉盤軸承;
風力發電機近年來由于環境和能源問題日趨緊張, 風電作為一種可再生綠色能源越來越受到世界關注,尤其是近十年, 全球風電累計裝機容量的年均增長率接近30% , 到2009年底世界總的風能發電容量將突破12 億萬MW。據歐洲《風力十二》的規劃和預測, 到2020年全世界風能裝機容量將達到123. 1萬MW, 這一水平是2005年的21 倍, 年平均增速高達20%, 屆時風電將占世界電力供應的12% [ 1] 。
近十幾年中國風電裝機容量迅猛增加, 從1995年至今, 我國風電裝機容量年增長率超過46%。按照國家《可再生能源中長期發展規劃》提出的目標到2010年我國風電裝機容量將達0. 5萬MW, 到2015 年我國風電裝機容量達1. 5 萬MW, 到2020 年我國風電裝機容量達3. 0 萬MW[ 3] 。現在2010年的目標已提前三年完成, 按照目前發展速度, 預計到2020年我國風電裝機容量將達8. 0萬MW, 在2030年后風電將成為我國繼煤炭、石油之后的第三大能源。
風電能源的需求拉動風電產業的發展, 長期以來國內風電產品大多依賴進口, 市場一直被丹麥、德國、美國、西班牙等歐美國家把持。近年來,在市場的誘導和政策的促進下國內涌現出了一批優秀企業, 從市場份額看, 國產機組比例也在上升, 目前國內葉片、齒輪箱、發電機等零部件已基本能實現自主生產, 但軸承、控制系統等還是主要依賴進口[ 4] 。
轉盤軸承是一種特大型軸承, 內圈或外圈帶有傳動齒, 可以和驅動小齒輪嚙合傳動扭矩, 在風力發電機中一般用于偏航系統和變槳系統中, 由于安裝位置不易拆裝且拆裝費用高, 周期長, 對偏航和變槳轉盤軸承的壽命和可靠性提出了嚴格要求, 一般要求風電轉盤軸承的壽命要與機組壽命相同, 且在20 年以上[ 5- 6] 。從世界范圍來看, Rothe Erde, FAG, SKF等著名軸承公司的風電轉盤軸承產品質量已得到廣泛的認可, 國內近年來也相繼有廠家投入風電轉盤軸承的生產, 但質量水平還有待長時間裝機應用的驗證。風電轉盤軸承質量的保證不外乎設計和制造兩個方面, 本文綜合國內、外部分企業和機構對風電轉盤軸承的設計和制造經驗, 對風電轉盤軸承的設計和制造關鍵技術作了探討, 以期能夠對相關企業和設計人員有所幫助。
1 風電轉盤軸承的設計
1. 1 選型
轉盤軸承一般有單排四點接觸球式、雙排四點接觸球式、交叉滾子式、三排滾子式等形式, 其中單排四點接觸球式轉盤軸承成本較低, 且綜合性能較高; 雙排球式轉盤軸承使用壽命長, 承載能力強, 回轉阻力小, 允許磨損量大, 對安裝基座要求不高, 但其運動精度較低; 交叉滾子式轉盤軸承精度高, 壽命長, 動載荷容量較高, 但對基座剛性和精度有較高要求, 且滾子與滾道在接觸時易發生邊緣效應, 導致邊緣實際應力遠大于設計應力;三排滾子式轉盤軸承一般具有非常高的靜承載能力[ 7] 。在一般的應用場合, 通常認為中小規格的轉盤軸承應以四點接觸單排球式為主, 大規格的轉盤軸承應以三排滾子式為主[ 8 ] 。
長期以來, 轉盤軸承主要應用于工程機械, 選型計算主要也是借助承載能力曲線, 按照靜載強度選型, 動載校核, 靜載與動載的處理手段也僅在于安全系數的選取不同[ 9] 。國內標準統一規定了每種規格轉盤軸承承載能力曲線, 很顯然由于生產廠家的制造水平有差異, 每個廠家生產的轉盤軸承承載能力也會有一定的差異。風電轉盤軸承除了受較大的傾覆力矩外, 由于空氣動力和葉輪轉動還承受非常復雜的疲勞載荷, 再加上高可靠性和壽命的要求, 使得風電轉盤軸承在選型和設計時更應注意轉盤軸承的動態承載能力, 主要是滾道的抗疲勞壽命。風電轉盤軸承, 尤其是變槳轉盤軸承究竟選用哪種形式, 許多大型跨國企業還在研究之中, 從目前的裝機使用情況來看, 變槳轉盤軸承多采用雙排四點接觸球轉盤軸承, 偏航轉盤軸承多采用單排四點接觸球轉盤軸承[ 10- 12] ,也有少量采用交叉滾子轉盤軸承或其他形式。國內標準雖然對變槳和偏航轉盤軸承的結構形式作了規定, 但并沒有給出合理的解釋。
1. 2 壽命計算
風電轉盤軸承尺寸很大, 轉速較低, 普通軸承的壽命評定準則在許多情況下對轉盤軸承并不適用。目前轉盤軸承的壽命通常有兩種求解方法:一種是轉盤軸承承載能力曲線法[ 13 - 14] , 另一種是當量動載荷法。
1. 2. 1承載能力曲線法
用轉盤軸承承載能力曲線法求解轉盤軸承的壽命, 首先要像轉盤軸承規格選型一樣在承載能力曲線圖中標出軸向力和傾覆力矩的交點, 連接坐標原點和交點并延伸, 使延伸線和承載能力曲線相交得到交點的力矩和軸向力(圖1), 解出曲線上載荷與實際載荷比值, 實際壽命即為曲線額定壽命乘以一個與比值相關的系數(本曲線額定壽命為30 000 r)。
式中: fL 為載荷比系數; Fa0為承載能力曲線上對應軸向載荷; M 0 為承載能力曲線上對應的傾覆力矩; Fa 為轉盤軸承實際承受的軸向載荷; M 為轉盤軸承實際承受的傾覆力矩; G 為轉盤軸承壽命; p為壽命計算指數(球式轉盤軸承p= 3; 滾子式轉盤軸承p = 10 /3)。
風電轉盤軸承一般都不止一個工況, 尤其是不同的風速對轉盤軸承的承載情況影響非常大,因此在求解風電轉盤軸承壽命時, 必須要考慮多種工況對轉盤軸承壽命的綜合影響。
式中: G eq為多工況等效壽命; tm 為第m 種工況在轉盤軸承總工作時間中占比例; Gm 為若單以第m種工況工作轉盤軸承的壽命。
1. 2. 2 當量動載荷法
當量動載荷法求解轉盤軸承的壽命, 主要分為以下幾個步驟: 求解額定動載荷容量; 確定壽命調整系數; 確定當量動載荷; 計算轉盤軸承的壽命。當量動載荷法借用軸承的相關理論, 轉盤軸承的壽命定義為一定可靠度下轉盤軸承能轉過的轉數, 一般定義可靠度為90% ( 10% 的失效率)時的轉盤軸承壽命為基本額定壽命。
轉盤軸承基本額定壽命為
式中: L10為轉盤軸承基本額定壽命( 106 r); Ca 為轉盤軸承額定動載荷; Pa 為轉盤軸承當量動載荷。任意可靠度下轉盤軸承的壽命為
式中: Ln 為失效率為n% 時的轉數( 106 r) ; a1 為可靠性修正系數; a2 為滾道硬度修正系數; a3 為潤滑狀況修正系數。
式中: Pm 為第m 種工況的當量動載荷; Nm 為第m種工況下轉盤軸承的轉速; x 為指數, 當轉盤軸承大角度轉動時, 球軸承x= 3, 滾子軸承x= 4; 當轉盤軸承小角度抖動時, 球軸承x= 10 /3, 滾子軸承x= 9 /2。
1. 3 CAD /CAE技術的應用
現在常用的轉盤軸承設計理論包含了大量的假設和簡化, 對轉盤軸承的幾何參數、熱處理質量、滾道表面粗糙度、支承圈剛度、安裝基座剛度、基座安裝面粗糙度等影響因素考慮不夠充分。隨著計算機技術的進步, 轉盤軸承的CAD /CAE 系統可以幫助設計者在綜合考慮各種因素的基礎上優化轉盤軸承的設計。國外許多大型轉盤軸承制造廠家都有各自的CAD /CAE系統, 國內第一代轉盤軸承CAD設計軟件是1985 年由徐州羅特艾德公司開發的, 2000年上海交通大學模具CAD 國家工程中心在轉盤軸承的設計中應用了專家系統、有限元分析技術和參數化繪圖技術, 構造了集設計、結構分析和自動繪圖于一體的轉盤軸承CAD 系統, 然而這項技術并沒有被國內生產廠家廣泛應用。
目前轉盤軸承的CAE 大多是通過FEM 方法來實現的, FEM 是目前已經相當成熟的一種分析技術。分別用FEM 方法對轉盤軸承的載荷分布和最大接觸壓力進行了研究, 在分析中可以考察滾道各幾何參數及安裝基座剛度對轉盤軸承載荷分布及最大接觸壓力的影響。研究發現, 轉盤軸承在受傾覆力矩時載荷分布并不完全符合余弦規律, 在傾覆軸線附近出現理論接觸壓力為零的輕載區域, 輕載區域的大小隨游隙的增大而增大, 為減小或消除輕載區域, 轉盤軸承可采用負游隙, 使載荷分布更為均勻; 研究還發現,當安裝基座的剛性較小時, 轉盤軸承的載荷分布曲線呈明顯“雙駝峰”型, 這將為確定轉盤軸承承載能力, 評估轉盤軸承可靠性和壽命帶來困難, 因此在風電轉盤軸承的設計過程中應充分考慮輪轂和塔筒的剛性。
FEM方法還可用于安裝螺栓的強度和疲勞分析 , 齒圈強度和疲勞分析, 也有研究者用FEM法預測齒圈在熱處理時的變形, 以合理預留精加工余量, 確保淬硬深度 。
2風電轉盤軸承的制造
2. 1 一般工藝流程
目前世界上風電轉盤軸承套圈制造材料大多用42C rM o4 , 其具有良好的低周疲勞特性 。按照國內標準規定, 風電轉盤軸承的套圈通常采用42CrMo 制造, 傳動系統套圈一般采用ZGCr15或ZGC r15SMi n制造, 坯件可鍛制而成。
轉盤軸承制造的一般工藝流程包括: 粗車轉盤軸承套圈內外直徑、端面及止口, 無齒圈鉆削堵塞孔、錐銷孔, 半精車滾道, 齒圈粗加工, 熱處理,齒圈精加工, 精車轉盤軸承套圈端面、滾道、止口、密封槽等, 鉆削轉盤軸承安裝孔及無齒圈注油孔,滾道精加工(磨削) , 裝配。
2. 2 支承圈機加工
轉盤軸承的主要技術性能指標有: 滾道表面硬度及淬硬層深度, 滾道與滾動體曲率比, 滾道接觸角, 安裝孔的位置度, 齒輪中頻淬火硬度及淬硬層深度 。其中除了硬度及淬硬層深度參數, 其余的參數都與機加工質量有關。
車削和磨削是轉盤軸承加工中運用最多的加工手段, 車削滾道和磨削滾道(或精車代磨)是決定轉盤軸承制造質量的關鍵工序, 轉盤軸承接觸角、滾道中心直徑、間隙的控制也都依賴于這兩道工序。隨著數控技術的發展和廣泛應用, 現在的轉盤軸承車、磨設備大都是數控機床, 數控加工工藝參數的優化是保證轉盤軸承制造幾何質量的關鍵。
設備本身的誤差對轉盤軸承的加工質量影響也非常大, 往往需要進行軟件補償。數控立車在加工轉盤軸承滾道時, 其非線性幾何誤差對轉盤軸承的接觸角、滾道開口、滾道型面都有非常大的影響[ 24] 。滾道一般是仿形磨削, 砂輪的幾何參數將直接復制到滾道上, 直接決定了滾道與滾動體的曲率半徑比, 因此砂輪的選用非常重要。轉盤軸承滾道截面間隙對轉盤軸承的承載能力影響非常大, 砂輪既已選定, 對間隙起決定影響的就是轉盤軸承滾道磨削進給量。另外, 由于磨削一般安排在滾道熱處理后, 因此磨削進給時還必須考慮淬硬層深度, 如果磨削量太大, 就很有可能使淬硬層深度不足, 但是考慮到支承圈在熱處理后應力釋放的變形, 精加工余量又不能留得太小, 同時精加工余量的留取又直接關系到生產效率和加工精度, 因此這一對矛盾在編制工藝時必須要謹慎考慮。
2. 3 支承圈熱處理
支承圈的熱處理包含支承圈的整體正火和調質、滾道淬火、齒面淬火。由于轉盤軸承在實際使用過程中的損壞98% 來自滾道的損壞 , 因此滾道淬火質量對轉盤軸承的承載能力和使用壽命影響很大。轉盤軸承滾道的熱處理參數主要有: 表面淬火硬度、淬硬層深度。轉盤軸承滾道表面淬火硬度對其承載能力影響很大(表1) , 標準中通常以滾道表面硬度55 HRC 的轉盤軸承靜載荷為額定靜載荷, 一般要求滾道表面硬度能達到55~62HRC。
除了靜載荷能力, 滾道表面淬火硬度對轉盤軸承的動載荷(壽命)也有相當大的影響, ( 6)式反映了滾道表面淬火硬度對轉盤軸承壽命的影響。足夠的淬硬層深度h 是滾道不發生剝落的重要保證, 如果淬硬層深度不足, 導致滾道表面以下較軟, 很有可能發生滾道壓潰現象。國內定義轉盤軸承淬硬層深度為表面到48HRC的深度, 國外一般認為淬硬層深度為表面到50 HRC 的深度。轉盤軸承在制造時往往會忽略支承圈心部硬度,較高的心部硬度是滾道抗壓潰能力的重要保障,國外一般認為大于110% h 深度即算作滾道的心部。目前還沒有轉盤軸承滾道淬硬層深度和心部硬度的無損檢測方法, 制造時主要依靠設備來保證。因為接觸橢圓尺寸取決于載荷和接觸體直徑,所以制造時淬硬層深度h 也應根據滾動體直徑d制定。國內標準規定的淬硬層深度如表2所示。
套圈熱處理變形主要分為平面撓曲影響平面度變形和徑向影響圓度的變形。為確保淬硬層深度和加工精度, 套圈熱處理時必須要考慮熱處理后的應力釋放變形。套圈直徑越大越難控制, 必要時可采用壓淬、壓冷的方法, 用模具加壓強行控制變形, 直至殘余應力基本退去。
2. 4 潤滑、密封與防腐
轉盤軸承潤滑的目的是減小回轉阻力矩, 延長轉盤軸承的使用壽命, 常用潤滑方式有脂潤滑和油潤滑。轉盤軸承最常用鈣基潤滑脂在長時間工作后會老化并與磨損形成的鐵屑結塊, 影響滾動體在滾道內的運行; 鋰基潤滑脂長時間工作后老化成白色水狀, 不會影響滾道內滾動體運行, 因此, 風力發電機所用的潤滑劑大多為復合鋰基潤滑劑[ 26 - 27] 。而風力發電機工作環境惡劣, 經常需在極高溫、極低溫、晝夜溫差大的環境下工作。針對我國風力發電機的分布情況, 風電轉盤軸承要求潤滑劑要有極壓抗磨性能、低溫性能、熱穩定性等, 國外一般推薦使用含固體添加劑的1〝 稠度的低溫潤滑脂, 在- 40 ℃ 以下仍能有效潤滑, 國產潤滑脂可用7011低溫極壓潤滑脂 。
在潤滑方式上, 目前大多數機械是采用人工通過油杯注入潤滑劑, 加入潤滑劑的時間和量都僅憑經驗確定, 隨意性較大, 并且很容易出現潤滑不均勻現象。風電轉盤軸承的潤滑要求較高, 且人工不易到達, 必須采用自動潤滑系統。
轉盤軸承密封一方面保護轉盤軸承使外界的塵埃、水、有害氣體等不會進入滾道, 以免損壞轉盤軸承; 另一方面是保護轉盤軸承內部潤滑劑不會流失, 使轉盤軸承處于潤滑狀態。水或其他的易腐蝕物質進入滾道后, 長時間會造成滾道和滾動體的銹蝕; 塵埃等固體雜質進入滾道, 會在滾道和滾動體之間形成磨粒, 引起脫皮和剝落甚至產生凹坑; 潤滑劑流失, 則易導致干摩擦, 增大回轉阻力矩, 加劇滾動體和滾道的磨損[ 29] 。尤其是海上風力發電機, 長期工作于海上腐蝕性鹽霧環境下, 必須嚴格保證密封質量。
轉盤軸承密封圈的材料一般采用丁腈橡膠 ( SN7453) , 結構形式一般為唇形密封。對于氣候條件較差, 溫差較大的地區, 風電轉盤軸承的密封圈材料可用沸石基橡膠, 其適應溫度范圍比腈基橡膠大得多, 并且最高適應溫度可達到200 ℃ 左右。在密封結構方面, 國外某些大企業對風電轉盤軸承特別采用了一種雙唇形密封的結構, 這種結構可以有效地防止輻射和氧化性氣體進入滾道, 確保滾道質量。對于某些環境非常特別的風場, 密封圈材料和結構還應特別考慮。
一般情況下, 除了轉盤軸承的齒面和滾道, 轉盤軸承的其他部分還應進行防腐處理, 通常的處理方法是先進行噴砂處理再熱噴涂(鍍鋅或鉻)處理。
3結束語
( 1)從全球及國內風力發電機裝機容量發展趨勢和發展規劃來看, 在未來相當長一段時間內國內、外風電產業仍將有迅猛的發展。國內風電產品要提高市場競爭力, 推進國產化, 首先就要提高國內風電軸承等關鍵零部件的設計和制造技術, 提高產品質量。
( 2)風電轉盤軸承選型、設計首先要考慮其運行的可靠性和壽命。承載能力曲線法預測壽命簡單易行, 多用于大型轉盤軸承制造企業, 然而承載能力曲線的建立需要以大量的試驗和實踐為依據; 當量動載荷法可以更詳盡地考慮各種因素對轉盤軸承壽命的影響, 更適用于從理論上分析和優化轉盤軸承的選型和設計。
( 3) 運用CAD /CAE 系統可以在設計轉盤軸承時綜合考慮基座剛度、滾道參數、連接螺栓等各種影響因素, 考慮到風電轉盤軸承對可靠性和壽命的要求, 在設計時應運用CAD /CAE系統對轉盤軸承進行全面系統的分析, 以便于對轉盤軸承可靠性和壽命作出盡量準確的預測。
( 4)轉盤軸承的質量主要取決于其滾道的質量, 包括機加工質量和熱處理質量, 而目前國內滾道質量的檢測手段缺乏, 滾道的質量主要依靠裝備和工藝保證, 因此保證轉盤軸承質量的關鍵在于合理選擇裝備和工藝。
( 5)風電轉盤軸承通常工作于非常惡劣的環境中, 對轉盤軸承的潤滑、密封、防腐都有特別高的要求, 可以通過選用合適的潤滑劑和潤滑方式、密封材料和密封結構、防腐工藝來滿足要求。
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