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【风电知识】一文读懂风电轴承!

日期:2020-03-11    来源:电力生产知识

国际新能源网

2020
03/11
11:24
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关键词: 风电轴承 风力发电 偏航轴承

  轴承属于风电机组的核心零部件。风电轴承的范围涉及从叶片、主轴和偏航所用的轴承、到齿轮箱和发电机中所用的高速轴承。
  风电轴承的主要特点
  1、使用环境恶劣;
  2、高维修成本;
  3、要求高寿命;
  风电轴承的分类
  风力发电机用轴承主要包括:偏航轴承、变桨轴承、主轴轴承、变速箱轴承、发电机轴承。即:变桨轴承、偏航轴承、传动系统轴承(主轴和变速箱轴承)。
  发电机轴承
  轴承类型:深沟球轴承、角接触轴承等。
  工况特点:高转速(1000-1500rpm)、高温(90-120℃)重载。
  对润滑脂的要求:优异的剪切安定性、良好的氧化安定性、良好的抗磨性能、优异的低温启动性能等。
  主轴轴承
  轴承类型:圆锥滚子轴承、球面轴承等。
  工况特点:低转速(<25rpm)、宽温、重载且变化大、振动、高湿度。
  对润滑脂的要求:优异的抗磨性能、良好的氧化安定性、优异的低温启动性能、良好的抗水淋性等。
  变桨/偏航轴承
  轴承类型:四点接触球轴承等。
  工况特点:停多于转、宽温、重载、振动、高湿度。
  对润滑脂的要求:优异的防腐和抗微动磨损性能、优异的低温启动性能、良好的抗水淋性、良好的氧化安定性等。
  每台风力发电机设备用偏航轴承(回转支承)1套,变桨轴承(回转支承)3套(部分兆瓦级以下的风力发电机为不可调桨叶,可不用变桨轴承),发电机轴承(深沟球轴承、圆柱滚子轴承)3套主轴轴承(调心滚子轴承)2套,共计9套。
  此外还有变速箱轴承,而变速箱有三种结构形式,第一种形式需装用轴承15套,第二种形式需装用轴承18套,第三种形式需装用轴承23套。这样,风力发电机组轴承数量平均值为27套。
  风力发电机用轴承的结构形式主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等。偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部,变桨轴承安装在每个叶片的根部与轮毂连接部位。
  一些厂商生产的部分风电轴承品种
  风电轴承的生产工艺要求
  1、要控制好锻造温度,不要晶粒粗大;
  2、要控制好调制质工艺,保证其心部的调质组织,从而保证其力学性能;
  3、表面的中频淬火硬化层深度的控制;
  4、避免表面产生微细裂纹。
  风电轴承的润滑分析
  风电齿轮箱输入轴的转速一般在10-20转/分钟,由于转速比较低,导致输入轴轴承(也就是行星架支撑轴承)的油膜较难形成。
  油膜的作用是在轴承运转时分开两个金属接触面,避免金属与金属直接发生接触。
  我们可以引入一个参数λ来表征轴承的润滑效果。
  (λ定义为油膜厚度与两接触表面粗糙度之和的比值)
  如果λ>1,说明油膜的厚度足够分开两个金属表面,润滑效果良好;
  而如果λ<1,则说明油膜的厚度不足以完全分开两个金属表面,润滑效果不理想。
  在润滑不良的情况下运转,轴承有可能会发生损伤。由于风电齿轮箱一般都采用ISOVG320粘度的循环润滑油,因此如果发现λ小于1,我们一般只能通过降低轴承滚道及滚子的粗糙度来改善润滑效果。
  另外,在齿轮箱设计时,行星架支撑轴承要尽量避免一端轴承的尺寸太小,在实际的应用分析中我们发现即使寿命满足条件,这种设计也会导致小轴承的线速度非常低,油膜更加无法形成。
  风电轴承的承载区分析
  在运转轴承的滚子中一般只有一部分同时承受载荷,而这部分滚子所在的区域我们称之为轴承的承载区。
  轴承承受的载荷大小,运行游隙的大小都会对承载区产生影响。如果承载区范围太小,滚子在实际的运转中则容易发生打滑现象。
  对于风电齿轮箱而言,如果主轴的设计采用双轴承支撑的方案,那么理论上只有扭矩传递到齿轮箱。在这种情况下,经过简单的受力分析,我们不难发现行星架支撑轴承承受的载荷是比较小的,因此轴承的承载区往往也比较小,滚子容易发生打滑。在风电齿轮箱设计中行星架支撑轴承一般采用两个单列圆锥轴承或者两个满滚子圆柱轴承的方案。
  我们可以通过适当预紧圆锥滚子轴承或者减小圆柱滚子轴承游隙的方法来提高承载区。图二给出的是减少游隙前后承载区的比较。
  风电轴承的使用技术
  设计与分析:仍以经验类比设计为主,受力分析与载荷谱的研究几近空白。其中的难点技术是针对主轴轴承的要求无故障运转达13*104h以上,并具有95%以上的可靠度;针对齿轮箱轴承的高损坏率的高载荷容量设计等。
  材料:不同部位的轴承采用不同的材料及热处理,如提高偏航和变桨轴承用40CrMo钢的低温(环境温度-40℃∽-30℃,轴承工作温度在-20℃左右)冲击功等力学性能的热处理方法,表面感应淬火的淬硬层深度、表面硬度、软带宽度和表面裂纹的控制;增速器轴承用相当于国外STF、HTF钢的研制及控制其残余奥氏体最佳含量的研究;主轴轴承在国产真空脱气钢质量尚存在一定差距的情况下,采用电渣重熔渗碳钢ZG20Cr2Ni4A制造等。
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