閆佳飛

（舍弗勒貿易(上海)有限公司）

摘　要：調心滾子軸承由于其應用經驗多、成本低以及安裝方便等優點被大量應用于風機主傳動鏈系統，其中包含雙調心軸承布置形式中的浮動和定位軸承以及單個調心軸承布置形式中的定位軸承。但是隨著近幾年風電機組葉輪直徑的不斷升級和風載的不斷提高，對主軸承的應用要求也越來越高。由于調心滾子軸承接觸角相對較小，在較大的軸向載荷作用下，定位端軸承很容易出現單列承載現象，在潤滑不良的工況下更容易出現早期磨損。除此之外，不參與承載的另外一列滾動體在運行過程中存在承載浪費情況，還可能會出現打滑現象。本文提出的非對稱調心滾子軸承從內部結構上進行了改進，相比于對稱型調心滾子軸承在相同尺寸條件下提升了軸承承載能力，避免了承載浪費。而且為了方便風電后市場的應用，在內部結構優化的同時保證了外形尺寸的可互換性，確保軸承可以在不改變主軸和軸承座尺寸的前提下直接替換使用。
關鍵詞：調心滾子軸承；定位端軸承；早期磨損；非對稱調心滾子軸承；風電后市場
0　引言
作為風力發電機的關鍵組件，主傳動鏈系統在傳遞和承擔風載的過程中起到至關重要的作用。隨著風機開發的不斷進步，不同的主傳動鏈布置形式先后被應用，相對應的主軸承也不盡相同，而主軸承可靠與否也直接關系到整個傳動鏈乃至整個風機的穩定性。因此在風機的開發過程中，主軸承的選型至關重要，需要結合風機的環境條件，載荷工況，安裝工藝以及維護條件等具體情況進行確認[1]。
目前常見的風電機組主要集中于水平軸布置形式，因此對應的主傳動鏈大多屬于懸臂梁結構。在風載的作用下，支撐主傳動鏈的主軸承除了要承載較大的傾覆力矩，還需要承擔一定的軸向力。另外，為了補償主傳動鏈系統在運行過程中的撓曲變形，要求主軸承具有一定的調心功能。基于以上原因，調心滾子軸承被廣泛應用于風機主傳動鏈的支撐結構中。對應的布置形式也由于調心滾子軸承成本低，對周邊零部件精度要求低，安裝維護方便而更加經濟適用。截止到目前為止，在陸上和海上風機均有應用，應用的Z大風機已經到6.0MW。但是由于調心滾子軸承軸向承載能力有限，在較大軸向載荷作用下，僅有靠近齒輪箱側一列滾子承載，另外一列處于空載狀態，在潤滑不充分的條件下會導致承載列滾道接觸面早期磨損，另外一側打滑。有文獻[2-4]也提出調心滾子軸承的精度，游隙，潤滑劑在工作溫度下的粘度以及清潔度對軸承應用至關重要。因此研究調心滾子軸承承載分布與內部結構的關系，以及對應的摩擦學的特性很有必要。浙江大學汪久根教授曾經對調心滾子軸承的摩擦學設計進行綜述[5]。
本文針對風機特殊應用工況下，對調心滾子軸承進行了優化分析，提出了新的非對稱設計，在相同的載荷工況下，提高了軸承的軸向承載能力，并結合軸向剛性對軸系的穩定性進行了對比分析。另外結合軸承可能出現的早期磨損，模擬計算了軸承內部磨損因子p*v值的分布情況。并通過試驗驗證了優化后軸承的可行性。對風電主軸定位端的調心滾子軸承常見的早期磨損失效模式提出了預防和改善措施。
1　調心滾子軸承在風電主軸中的布置形式
在目前裝機的風力發電機中，超過一半的風機采用主軸軸承支撐結構，即主軸承的內圈安裝在旋轉的主軸上。根據主軸支撐點的個數，主軸軸承的布置形式分為兩點支撐和三點支撐。調心滾子軸承目前常見于雙饋風電機組的主軸支撐應用中，這是由于雙饋機組傳動系統一般包括輪轂、主軸、主軸承、齒輪箱、發電機等，其傳動鏈較長，需要考慮各部件溫升導致的尺寸膨脹，以及制造、裝配過程中的不對中對系統的影響。
1.1兩點支撐布置形式
采用定位端/浮動端軸承支撐的兩點支撐形式是Z典型的一種布置形式，如圖1所示。軸承被安裝在兩個獨立的或一個共同的軸承座內。當采用獨立軸承座的結構時，主軸在軸承內圈接觸的位置有撓曲變形，為了補償主軸和軸承座的不對中，必須采用調心滾子軸承。由于主軸在溫差的作用下軸向有一定的膨脹量，因此需要一個軸承進行浮動補償，而另外一個為定位軸承。為了降低由于主軸的浮動量對齒輪箱一級行星架的影響，將定位端軸承放在齒輪箱側。Z終使輪轂側的浮動端軸承承受主要的徑向力，定位端軸承承受一定的徑向力和軸向力。
1.2三點支撐布置形式
三點支撐布置形式中的定位端軸承一般置于齒輪箱外，而另外兩個支撐點是齒輪箱內的一級行星架支撐軸承，作為浮動端軸承，如圖2所示。定位端軸承常采用獨立的軸承座，需能夠補償相對于一級行星架浮動端軸承的撓曲變形以及承受風載中的軸向載荷，必須采用調心滾子軸承。另外重要的一點是，要在安裝時確保定位端軸承位置和浮動端軸承位置之間的正確的距離，確保軸向力作用在定位端軸承上。采用三點支撐，齒輪箱內的支撐軸承作為兩個支撐點也需要承受風力載荷，需要考慮主軸的振動、熱膨脹、軸向竄動等其他因素對齒輪箱的影響。

2　非對稱調心滾子軸承的介紹
針對上述兩種布置形式的定位端軸承，在應用過程中除要承擔徑向力之外還需要承擔較大的軸向力。而由于傳統的調心滾子軸承是對稱的，兩列滾道的接觸角相同，在軸向力與徑向力比值大于e的情況下，軸承載荷主要由一列承擔，如圖3所示。在這種狀況下，如果軸承的潤滑不良，很容易出現早期磨損。

非對稱調心滾子軸承通過優化承載列的滾道接觸角，使得軸承軸向承載能力明顯提高。除此之外，為了保證軸承運行過程中的穩定性，兩列的滾動體尺寸相同。在風電應用工況中，將大接觸角放置在齒輪箱側，小接觸角列放置在輪轂側。非對稱調心滾子軸承的外形和傳統對稱型調心滾子軸承外形一致，如圖4所示。在更換軸承的同時不需要變更主軸和軸承座的設計尺寸，因此非對稱調心滾子軸承可以和對稱調心滾子軸承互換使用，尤其針對風電后市場，在現有風機升級和主軸承更換上具有很好的可行性。除此之外，還有其它諸多優點，本文將結合特定載荷通過與普通軸承進行對比分析，對非對稱調心滾子軸承進行詳細的介紹。
3　非對稱調心滾子軸承優點分析
3.1承載能力分析
以三點支撐布置形式中的定位端軸承應用為例，對比計算常規對稱調心滾子軸承240/800和非對稱調心滾子軸承240/800的承載情況。針對定位端軸承承受較大軸向力的特殊工況，為了對比明顯，選擇軸向力和徑向力比值大于e的工況，詳細載荷如表1所示。計算采用舍弗勒內部專用軸承分析軟件Bearin-X^®。在該工況下軸承處載荷結果如表2所示。

圖5是在假設載荷條件下計算的常規對稱調心滾子軸承240/800和非對稱調心滾子軸承240/800兩列滾子承載曲線對比，從圖中可以看出常規的對稱型軸承在該載荷工況下出現了單列承載現象，而非對稱軸承在該載荷下避免了該現象，而且主要承載列的載荷也有所降低，進而提高了軸承整體的承載能力。從圖6可以發現非對稱調心滾子軸承240/800的滾動體接觸應力曲線，由于滾動體采用特殊的修形處理，避免了滾子邊緣應力的產生。

另外在疲勞載荷下，非對稱調心滾子軸承的接觸應力也有明顯降低。圖7是三種不同內部結構調心滾子軸承的疲勞接觸應力統計。從對比結果可以發現，非對稱調心滾子軸承的整體接觸應力水平Z低。隨著近幾年低風速風場的開發，更多的大葉片風機被開發應用，而相應的疲勞載荷也有明顯的提高，導致很多原始機型需要通過增大尺寸才能滿足疲勞載荷要求。而采用非對稱調心滾子軸承可以明顯改善這種情況，在不改變主軸承外形尺寸的條件下可以被用于更大葉片的風機。除此之外，對軸承滾道進行超精加工，對軸承的壽命也有明顯的改善。

3.2軸向剛性分析
除了承載能力，非對稱調心滾子軸承的軸向剛性也有明顯的提高。由于風況的不穩定，風電機組主傳動鏈系統在支撐和傳遞巨大的載荷的同時還需要克服一定的沖擊。尤其作為定位端軸承，通過承受軸向沖擊載荷可以緩解齒輪箱一級行星架在運行過程中的承載狀況。對齒輪箱的使用也有一定的保護作用。圖8是三種軸承在不同軸向力作用下對應的軸向位移，可以發現非對稱調心滾子軸承整體的軸向位移都明顯小于對稱型調心滾子軸承。

3.3軸承動力學分析
根據文獻[3]，材料的磨損與（p*v）因子成反比，其中p為接觸副的法向壓力，v為兩接觸副的相對滑動速度。舍弗勒通過使用軸承動力學仿真分析軟件CABA3D?對比分析了不同軸承的p*v值。從圖9可以發現調心滾子軸承承載時沿滾子軸向只有兩點為純滾動，此處的p*v接近于零，其他區域均有微觀的相對滑動。而非對稱調心滾子軸承在整個滾子承載范圍p*v值整體處于穩定狀態，沒有異常的峰值出現。結合目前常見的調心滾子軸承失效模式，軸承滾動體早期剝落一般從兩端開始，與圖9計算結果中p*v的趨勢吻合。而采用非對稱調心滾子軸承可以明顯改善軸承在運行過程中沿滾子的p*v值，進而降低軸承可能出現早期磨損失效的風險。

3.4實際應用和測試分析
為了驗證非對稱調心滾子軸承的可行性，舍弗勒通過內部開發的試驗臺對不同軸承進行了對比測試分析，圖10統計了不同調心滾子軸承在較大軸向載荷工況下的摩擦力矩。隨著軸承尺寸的不斷變大，非對稱調心滾子軸承小摩擦力矩的優勢越來越明顯。

除了以上分析，為了方便應用，在相同外形尺寸下保證了軸承的可互換性。因此目前非對稱調心滾子軸承在風電后市場已經開始投入使用。結合目前非對稱軸承的實際應用，圖11統計了風機運行一段時間內，主軸承在不同功率下的溫度分布，可以明顯看出非對稱調心滾子軸承平均運行溫度相比于對稱調心磙子軸承低至少2度，從應用角度證實了非對稱調心滾子軸承整體摩擦較小的優勢。

4　結語
本文通過對比分析不同工況下不同調心滾子軸承的應用情況，對非對稱調心滾子軸承進行了詳細介紹，其具體特征和相應優點總結如下：
非對稱調心滾子軸承與傳統的對稱調心滾子軸承外形可互換，通過改進內部結構，提高了軸承的承載能力，軸向剛性也有明顯提高。確保該軸承在新項目和后市場升級風機中均可以使用。
通過滾動體修形改善軸承的接觸應力，降低軸承的p*v值，進而降低軸承早期磨損的風險。
在加工過程中增加了滾道超精工藝，提高了軸承的額定動載荷，進而使壽命得到提高。
結合試驗測試和實際應用驗證了非對稱調心滾子軸承改善后的摩擦學性能。經過實際驗證了非對稱調心滾子軸承實際平均運行溫度比對稱調心滾子軸承低至少2度。

來源：《風能產業》2019年第4期