風(fēng)力渦輪機(jī)新的高性能主軸承解決方案

本文來(lái)自中國(guó)軸協(xié)會(huì)刊《軸承工業(yè)》2021年第1期

一種新的軸承設(shè)計(jì)能夠在高推力負(fù)載下工作，同時(shí)仍然保持其良好的不對(duì)中特性。

如今，現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)每臺(tái)機(jī)組可產(chǎn)生超過(guò)7兆瓦的電力——海上試驗(yàn)樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)12兆瓦的輸出——使這些雄偉的機(jī)器成為幫助緩解氣候變化不利影響的不可或缺的能源來(lái)源。因此，確保風(fēng)電機(jī)組以Z少的停機(jī)時(shí)間內(nèi)可靠運(yùn)行至關(guān)重要，不僅對(duì)環(huán)境，而且對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商、公用事業(yè)公司及其客戶也是如此。提高風(fēng)力渦輪機(jī)可靠性的一個(gè)機(jī)會(huì)就會(huì)涉及轉(zhuǎn)子軸軸承支撐，這是渦輪機(jī)機(jī)艙內(nèi)的一個(gè)重要部件，軸承會(huì)承受特別高的載荷。

為了應(yīng)對(duì)日益增多的軸承故障事件，全球工業(yè)和汽車供應(yīng)商Schaeffler開(kāi)始調(diào)查這些主要軸承故障的原因。除了對(duì)目前使用的軸承解決方案進(jìn)行重大改進(jìn)外，Schaeffler的研究還為風(fēng)力渦輪機(jī)主軸應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種新的球面滾子軸承，該軸承提供了比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)更高的耐磨性以及更低的摩擦扭矩和工作溫度。因此，這種創(chuàng)新有可能顯著延長(zhǎng)渦輪機(jī)的使用壽命。

發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的機(jī)會(huì)

在風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)部，主軸支撐著主轉(zhuǎn)子輪轂，并以扭矩的形式將旋轉(zhuǎn)能量從轉(zhuǎn)子輪轂傳輸?shù)烬X輪箱。這種應(yīng)用要求高可靠性以及對(duì)轉(zhuǎn)子葉片產(chǎn)生的高負(fù)載的強(qiáng)大抵抗力。由于在這種環(huán)境下產(chǎn)生的推力很高（見(jiàn)圖1），風(fēng)力渦輪機(jī)中使用的傳統(tǒng)雙列對(duì)稱球面滾子主軸支撐軸承在滾子列之間的內(nèi)載荷分布不均勻。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)列的負(fù)載較低，而齒輪箱側(cè)列可能過(guò)載。由于轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速較低，因此只會(huì)產(chǎn)生Z小的潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑膜。這反過(guò)來(lái)又會(huì)產(chǎn)生金屬對(duì)金屬的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。結(jié)果是：表面磨損率高，性能差，Z終導(dǎo)致軸承過(guò)早失效。

Schaeffer對(duì)失效軸承進(jìn)行了廣泛的調(diào)查（基于對(duì)全球約10000臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)性能的分析所獲得的數(shù)據(jù)），并注意到相當(dāng)大比例的故障主要發(fā)生在三點(diǎn)支承轉(zhuǎn)子軸系統(tǒng)中使用的軸承上，這是Schaeffer對(duì)失效軸承進(jìn)行廣泛調(diào)查的一部分。該軸系統(tǒng)配備有標(biāo)準(zhǔn)的球面滾子軸承設(shè)計(jì)，具有兩列對(duì)稱的桶形滾柱。發(fā)現(xiàn)大多數(shù)損壞集中在定位軸承的軸向載荷列（順風(fēng)）上。根據(jù)ISO15243的規(guī)定，主要在表面層面觀察到的損傷，分為表面附近發(fā)生的疲勞（也稱為表面損傷）或磨粒磨損。

如前所述，在隨機(jī)條件下運(yùn)行的風(fēng)機(jī)主軸承的磨粒磨損主要是由軸轉(zhuǎn)速和載荷的變化引起的，這可能導(dǎo)致潤(rùn)滑膜非常薄或不存在。如果允許滾子和滾道表面之間的分離潤(rùn)滑油膜降解，則會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)微點(diǎn)蝕、污跡，Z終導(dǎo)致表面嚴(yán)重?fù)p壞（剝落）（見(jiàn)圖2）。

優(yōu)化現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)

為了給客戶提供一個(gè)Z能滿足他們的目標(biāo)和預(yù)算要求的解決方案，Schaeffer首先著眼于優(yōu)化目前在該應(yīng)用中使用的標(biāo)準(zhǔn)球面滾子軸承的性能和使用壽命。

步是開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證一種潤(rùn)滑劑，該潤(rùn)滑劑具有適用于各種運(yùn)行條件（包括低軸轉(zhuǎn)速和極端載荷）的適當(dāng)承載特性。然而，除了改善潤(rùn)滑條件外，還將重點(diǎn)放在優(yōu)化軸承設(shè)計(jì)上，如極其嚴(yán)格的表面光潔度限制和滾子上的特殊涂層等增強(qiáng)措施來(lái)優(yōu)化軸承設(shè)計(jì)。

為此，Schaeffer對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸承設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，將公司專利Triondur®C涂層應(yīng)用到滾子上。Triondur C是一種含氫無(wú)定形碳涂層，可提供高水平的耐磨性和黏著磨損保護(hù)（見(jiàn)圖3）。由于其高韌性涂層結(jié)構(gòu)，Triondur C能夠承受滾動(dòng)軸承應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的高接觸壓力。因此，使用Triondur C（見(jiàn)圖4）的滾子可顯著減少滑動(dòng)摩擦，并將滑動(dòng)引起的損壞降至Z低。為了進(jìn)一步降低滑動(dòng)的可能性，Schaeffer的改良軸承采用兩件式黃銅保持架，使每一個(gè)滾子列都能獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)球面滾子軸承設(shè)計(jì)的其他改進(jìn)包括：

·提高內(nèi)部零件表面光潔度的質(zhì)量。

·優(yōu)化接觸（即滾子與滾道的一致性），以獲得Z低的接觸壓力。

·使用對(duì)數(shù)分析，以減少Z關(guān)鍵接觸區(qū)域的表面損壞。

·優(yōu)化內(nèi)部間隙，既可以減少大推力載荷下的轉(zhuǎn)子軸位移，又可以改善每個(gè)滾子的載荷分配。

·在內(nèi)圈上增加一個(gè)擋邊，以增加軸向剛度，并改善整個(gè)滾子的接觸壓力分布，以減少表面損傷。

除了優(yōu)化軸承本身，Schaeffer還研究了如何使軸承更換過(guò)程更高效、更經(jīng)濟(jì)。該分析還考慮到安裝軸承的軸。由于在正常運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的微振腐蝕和材料磨損，許多此類軸都需要重新加工安裝表面-這是一個(gè)復(fù)雜且昂貴的過(guò)程，包括去除損壞的層并修整安裝軸的外徑，使其恢復(fù)到原始尺寸。風(fēng)機(jī)的大修通常會(huì)增加風(fēng)機(jī)的停機(jī)時(shí)間。Schaeffer的解決方案是：通過(guò)使用孔徑過(guò)小的軸承來(lái)節(jié)省資金和時(shí)間，從而完全消除了修整軸的需要。

設(shè)計(jì)突破

然而，除了優(yōu)化大多數(shù)風(fēng)力渦輪機(jī)中使用的傳統(tǒng)軸承設(shè)計(jì)外，Schaeffer決心提供Z終軸承解決方案，該方案能夠在高推力負(fù)載下運(yùn)行，同時(shí)仍然保持其良好的偏心特性。為此，Schaeffer為風(fēng)力渦輪機(jī)的主軸軸承開(kāi)發(fā)了一種新的軸承設(shè)計(jì)并獲得專利：非對(duì)稱球面滾子軸承。術(shù)語(yǔ)“非對(duì)稱”是指軸承的不同接觸角，其作用是改善兩個(gè)軸承列之間的載荷分配，降低接觸壓力和摩擦扭矩，并將軸向剛度提高約50%。此外，該軸承的獨(dú)特設(shè)計(jì)可防止由于轉(zhuǎn)子軸在運(yùn)行過(guò)程中的周期性彎曲或風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙內(nèi)部初始裝配時(shí)產(chǎn)生的精度誤差而導(dǎo)致的滾子與滾道之間的接觸應(yīng)力峰值。

Schaeffer非對(duì)稱球面滾子軸承的工作原理如下：當(dāng)軸承的轉(zhuǎn)子側(cè)設(shè)計(jì)為承受應(yīng)用中存在的常規(guī)徑向載荷時(shí)，軸承的齒輪箱側(cè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，增加了接觸角，以適應(yīng)高推力。在操作過(guò)程中，潛在的破壞性推力安全地通過(guò)軸承傳遞到外殼支架上（見(jiàn)圖5）。創(chuàng)新的非對(duì)稱設(shè)計(jì)確保了更均勻的內(nèi)部負(fù)載分配，從而在Z大限度地減少滑動(dòng)的同時(shí)提供了改良的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。結(jié)果是：扭矩更小，摩擦更小，熱量更少。另外，軸承的軸向位移也減小了。一句話：系統(tǒng)的整體效率提高了，這使得風(fēng)力渦輪機(jī)能夠產(chǎn)生更多的電力。

通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試驗(yàn)證其優(yōu)點(diǎn)

為了驗(yàn)證這些改進(jìn)性能，在德國(guó)亞琛大學(xué)進(jìn)行了一項(xiàng)對(duì)比試驗(yàn)，在試驗(yàn)中，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型常規(guī)240/710尺寸的球面滾子軸承與Schaeffer非對(duì)稱設(shè)計(jì)相比較。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)模擬的真實(shí)工況對(duì)軸承進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)上安裝了232個(gè)傳感器，這些傳感器放置在整個(gè)機(jī)艙的關(guān)鍵位置，以監(jiān)測(cè)所有運(yùn)行條件，如主軸承載荷、加速度和偏轉(zhuǎn)以及過(guò)度軸向位移的潛在不利影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，Schaeffer非對(duì)稱設(shè)計(jì)在軸向載荷和力矩載荷的組合作用下，在兩列滾子之間提供很好的載荷分布。在圖6中，標(biāo)記為“1”的區(qū)域表示兩個(gè)滾子列之間分布的載荷，非對(duì)稱設(shè)計(jì)（下圖）比常規(guī)設(shè)計(jì)的區(qū)域（上圖）要大得多。同樣，標(biāo)準(zhǔn)球面滾子軸承的軸向位移要大得多，如上圖中標(biāo)記為“2”的區(qū)域中深紅色所示，該區(qū)域表示僅施加于順風(fēng)滾子列的載荷。

為企業(yè)和環(huán)境利益提供解決方案

Schaeffer與其風(fēng)電行業(yè)的合作伙伴合作，為風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)部的每個(gè)軸承位置開(kāi)發(fā)Z佳解決方案，從轉(zhuǎn)子軸到齒輪箱，從發(fā)電機(jī)到機(jī)艙，再到葉片調(diào)整系統(tǒng)。Schaeffer為風(fēng)電行業(yè)提供了一系列全面的特殊滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂，以及一系列用于維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的服務(wù)和產(chǎn)品。

非對(duì)稱球面滾子軸承等創(chuàng)新設(shè)計(jì)旨在降低維護(hù)成本并提高風(fēng)力渦輪機(jī)的可用性。換言之：提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商的生產(chǎn)力和盈利能力，以及充足的清潔、可靠的電力來(lái)幫助應(yīng)對(duì)氣候變化。

（編譯：侯俊  洛陽(yáng)LYC軸承有限公司技術(shù)中心，譯自《wind system》）