圓錐滾子軸承在風電主軸支撐結構中的應用與分析
2012-06-08作者：陸建國
（鐵姆肯公司高級應用工程師）
隨著風力發電機功率的不斷提高，以往在主軸支撐結構中使用較多的調心滾子軸承正在逐漸地被圓錐滾子軸承方案所取代。常見的圓錐滾子軸承方案有三種，分別是雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承方案，兩個單列圓錐滾子軸承配合使用方案以及一個超大圓錐滾子軸承方案。這三種方案具有一定的共性，但又各自具有不同的特點，因此適用于不同的主軸設計思路。本文通過比較的方法闡述了這三種圓錐滾子軸承方案的特點以及在軸承選型分析時需要注意的關鍵點。（鐵姆肯公司高級應用工程師）
雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承方案
1．布置結構
這種方案被廣泛地應用于兆瓦級風機的主軸支撐結構中，常見的布置形式有兩種：圓錐滾子軸承布置于上風向位置，圓柱滾子軸承布置于下風向位置；圓錐滾子軸承布置于下風向位置，圓柱滾子軸承布置于上風向位置。無論哪一種布置形式，一般圓錐滾子軸承都作為固定端支撐而承受軸向力，而圓柱滾子軸承則作為浮動端吸收軸向熱膨脹。圓錐滾子軸承被布置于上風向時，由于其不僅要承受很大的徑向力還要承受軸向力，所以軸承所需的承載能力要遠遠大于下風向的圓柱滾子軸承。因此軸承的成本相對較高，但是圓錐滾子軸承可以采用預緊也即負游隙從而使得輪轂端的剛性得到提高。
2．游隙及錐角的選擇
這種方案比較常見的組合是NU/NNU型圓柱滾子軸承加上雙內圈型圓錐滾子軸承，有時也會采用NJ型圓柱滾子軸承。雙列圓錐滾子軸承其兩排滾子間的載荷分配一般都不是均勻的，承受外部軸向力的一列受力要大很多，相應地疲勞壽命也會小很多，適當減小游隙可以在一定程度上避免這種情況的發生。圖1和圖2所示為某1.5MW風機同一工況下不同游隙所形成的承載區比較。這種方案采用的圓錐滾子軸承的錐角一般都比較小，原因在于相同尺寸下縮小錐角可以提高軸承的徑向承載能力。另外，軸承采用小的錐角可以減少雙列圓錐滾子軸承發生單列承載情況的概率。
無論是圓柱滾子軸承還是雙列圓錐滾子軸承，它們的載荷支撐點理論上都位于軸承的中心位置，因此采用該方案的主軸支撐結構載荷作用點跨距等于浮動端和固定端軸承間的距離(圖3)。方案中軸承支承點跨距和所需軸承自身的內外徑以及錐角沒有關系，而僅僅和軸承布置的距離相關。這就意味著在實際的主軸設計中，如果所選擇的軸承尺寸和承載能力沒有足夠大的設計余量，那么主軸必須要采用長主軸的設計理念，通過增加軸承之間的跨距來提升支承系統抗傾覆力矩的能力。
1．布置結構
這種方案在國外應用得非常廣泛，從千瓦級風機到兆瓦級風機都有應用，從結構上看，這種方案又分為跨式布置和懸臂梁布置兩種形式(圖4)。功率較小的風機通常采用跨式布置形式，其優點是軸承受力較小，成本相對較低，但功率較大時隨著葉片以及輪轂尺寸的變大，主軸的加工比較困難。因此跨式布置形式雖然在國外比較常見，但目前國內采用此種布置形式的并不多見。與之相對應的是，采用懸臂梁布置形式時，軸承尤其是上風向軸承尺寸較大且成本較高，但主軸加工相對要簡單一些。目前所了解到的國外10MW的風機所采用的主軸軸承支撐結構就是懸臂梁式單列圓錐滾子軸承方案。
2．安裝配合的要求
和前一種方案一樣，這種方案也要求采用一體式的軸承座，如果采用類似調心滾子軸承式的分體軸承座往往容易造成兩個軸承的偏心過大，從而影響軸承的使用壽命。軸承的樣本壽命計算是基于萬分之五弧度的偏心量，就以往所作的實踐來看，如果偏心超過千分之一，則軸承的壽命將會受到明顯的影響。
該方案在選型設計時一般推薦軸孔采用較大的過盈配合，即無論軸旋轉還是軸承座旋轉，軸和孔都采用較大的過盈配合，如果采用的主軸是空心軸則過盈量要根據周環應力的大小適當進行調整。在本文所提到的三種圓錐滾子軸承方案中，這種方案所采用的過盈量是Z大的(同等尺寸下)，原因在于單列圓錐滾子軸承承受徑向力之后會產生一定軸向分力，而且這里的錐角一般比普通應用略大，所以軸向分力相對也比較大，因此必須要保證軸和內圈之間以及軸承座和外圈之間具有足夠的摩擦力防止相對運動。在實際選型設計中，如果沒有對這種情況進行校核和分析，建議所有這些接觸面都要進行硬化處理。
3．游隙要求現場調整
此種方案具有很高的經濟性，在國外也已經較為普遍，但目前國內使用的并不多，其中很重要的原因就是很多設計人員擔心在進行風機傳動鏈設計時采用這種軸承選型后游隙調整比較困難。不可否認，這種設計在調整游隙時具有一定的難度，但只要掌握了恰當的技巧或者方法便可以克服。我們和主軸設計人員交流時一般會提供兩種游隙調整或實現的方法，一種是通過現場測量和計算，另一種是采用一個標準內圈模塊。
這兩種方案在國外以及國內都有應用。實際上，由于游隙是現場測量調整，因此實際的裝機游隙能夠控制在一個非常小的范圍之內。種方案圓錐滾子軸承安裝后游隙范圍一般在0.2～0.4mm之間，而這種方案則可以控制在0.1mm之內，而且從實踐來看，這種方案軸承的壽命曲線相對比較平緩，所以所允許的游隙誤差也比較大。
4．關于溫差的問題
對于這種方案，很多設計人員還有另外一個顧慮，那就是熱脹冷縮。由于風機所處的環境溫度變化比較大，所以他們擔心在比較極端的溫度下軸承的游隙變化太大而導致軸承發生提前損壞。事實上，這種擔心是沒有必要的。首先必須要把環境溫度變化和軸承溫差區分開，其次要正確認識圓錐滾子軸承布置形式對溫度敏感性的問題。影響軸承游隙的是內外圈的溫差而不是整體環境的溫度變化，環境溫度從常溫上升到50℃時，不僅軸會膨脹，其他的部件也會。在膨脹系數差別不大的前提下，游隙的變化不會如很多人想象的那么大。還有更重要的一點就是，單列圓錐滾子軸承分為背對背和面對面兩種布置形式，分別適合不同的應用，在風機主軸上為了提高抗傾覆力矩的能力，一般采用背對背的布置形式。這兩種布置形式下軸承的運行游隙對溫差敏感性是完全不同的。假定在一個應用中，有兩個錐角為23°的單列圓錐滾子軸承被布置成背對背以及面對面兩個形式，假設溫差達到20℃，軸承之間距離為2m，軸承外圈平均工作點直徑0.9m，零部件的膨脹系數為12×E-6，那么面對面安裝時軸向游隙的變化為0.984mm，背對背安裝時軸向游隙的變化為0.024mm，兩種不同布置形式對溫差的敏感性差別極大。
超大雙列圓錐滾子軸承方案
1．主要特點
這種方案Z大的特點就是主軸非常短，為了提高抗傾覆力矩的能力，軸承徑向直徑很大且采用的錐角也非常大(比如說45°)以此來提高軸承的兩個實際支承點的有效跨距。從成本角度考慮，這種方案有效縮短了主軸的長度，但軸承本身的成本卻非常高。這種方案在直驅型以及混驅型風機中比較常見，原因在于整個軸系傳動鏈的設計非常緊湊。一般情況下，軸承的游隙值采用負游隙，以實現性能的優化。
2．需要整體性分析
這種方案在確定軸承游隙時必須要考慮夾緊力以及整個系統剛性的影響，在實踐中發現通過FEA有限元分析得到的安裝前和安裝后游隙和通過普通公式得到的安裝前和安裝后的游隙關系圖差別很大。因此在實踐中一般建議進行整個系統的FEA分析，從而得到較為準確的安裝前與安裝后游隙關系圖，然后進一步確認安裝前的游隙。為了提高性能，我們一般建議軸承工作在負游隙范圍之內，因此可以利用6Sigma方法進行尺寸公差的計算，從而得到99.73％概率下的游隙范圍值，這是對FEA分析方法的一種補充和驗證。
與前面提到的兩種方案不同的是，這種方案往往把密封等很多其他的部件集成到軸承之中，因此除了正常的軸承疲勞壽命以及應力計算之外，必須要對極限工況下軸系各個位置，尤其是密封位置處變形等進行評估。
在很多情況下，這種方案的軸承座或者主軸被螺栓所取代，一方面使得結構更為緊湊，另一方面徹底消除丁跑圈的可能性，但在進行軸承分析時要考慮到螺栓對于軸承的影響。
這三種方案是風機主軸上常見的圓錐滾子軸承選型方案，它們各有特點，適合于不同的風機設計思路。在三種方案進行簡單對比的表格中，主要突出各種方案的Z重要的特點。在實際的選型設計時，可以參考表一進行方案的初始選擇。
注釋：
本文圖例中所應用的具體數據均基于特定的軸承型號和應用工況，不同的結構設計和環境條件的變化會得到不同的分析數據結果，雖然這并不影響本文的概念和趨勢性分析。
本文圖例中所應用的具體數據均基于特定的軸承型號和應用工況，不同的結構設計和環境條件的變化會得到不同的分析數據結果，雖然這并不影響本文的概念和趨勢性分析。