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閆佳飛

（舍弗勒貿(mào)易(上海)有限公司）

摘　要：調(diào)心滾子軸承由于其應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)多、成本低以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)被大量應(yīng)用于風(fēng)機(jī)主傳動(dòng)鏈系統(tǒng)，其中包含雙調(diào)心軸承布置形式中的浮動(dòng)和定位軸承以及單個(gè)調(diào)心軸承布置形式中的定位軸承。但是隨著近幾年風(fēng)電機(jī)組葉輪直徑的不斷升級(jí)和風(fēng)載的不斷提高，對(duì)主軸承的應(yīng)用要求也越來(lái)越高。由于調(diào)心滾子軸承接觸角相對(duì)較小，在較大的軸向載荷作用下，定位端軸承很容易出現(xiàn)單列承載現(xiàn)象，在潤(rùn)滑不良的工況下更容易出現(xiàn)早期磨損。除此之外，不參與承載的另外一列滾動(dòng)體在運(yùn)行過(guò)程中存在承載浪費(fèi)情況，還可能會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。本文提出的非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，相比于對(duì)稱型調(diào)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(fèi)。而且為了方便風(fēng)電后市場(chǎng)的應(yīng)用，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)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(guān)鍵詞：調(diào)心滾子軸承；定位端軸承；早期磨損；非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承；風(fēng)電后市場(chǎng)
0　引言
作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵組件，主傳動(dòng)鏈系統(tǒng)在傳遞和承擔(dān)風(fēng)載的過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。隨著風(fēng)機(jī)開(kāi)發(fā)的不斷進(jìn)步，不同的主傳動(dòng)鏈布置形式先后被應(yīng)用，相對(duì)應(yīng)的主軸承也不盡相同，而主軸承可靠與否也直接關(guān)系到整個(gè)傳動(dòng)鏈乃至整個(gè)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性。因此在風(fēng)機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主軸承的選型至關(guān)重要，需要結(jié)合風(fēng)機(jī)的環(huán)境條件，載荷工況，安裝工藝以及維護(hù)條件等具體情況進(jìn)行確認(rèn)[1]。
目前常見(jiàn)的風(fēng)電機(jī)組主要集中于水平軸布置形式，因此對(duì)應(yīng)的主傳動(dòng)鏈大多屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)。在風(fēng)載的作用下，支撐主傳動(dòng)鏈的主軸承除了要承載較大的傾覆力矩，還需要承擔(dān)一定的軸向力。另外，為了補(bǔ)償主傳動(dòng)鏈系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的撓曲變形，要求主軸承具有一定的調(diào)心功能?；谝陨显?，調(diào)心滾子軸承被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)主傳動(dòng)鏈的支撐結(jié)構(gòu)中。對(duì)應(yīng)的布置形式也由于調(diào)心滾子軸承成本低，對(duì)周邊零部件精度要求低，安裝維護(hù)方便而更加經(jīng)濟(jì)適用。截止到目前為止，在陸上和海上風(fēng)機(jī)均有應(yīng)用，應(yīng)用的最大風(fēng)機(jī)已經(jīng)到6.0MW。但是由于調(diào)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(cè)一列滾子承載，另外一列處于空載狀態(tài)，在潤(rùn)滑不充分的條件下會(huì)導(dǎo)致承載列滾道接觸面早期磨損，另外一側(cè)打滑。有文獻(xiàn)[2-4]也提出調(diào)心滾子軸承的精度，游隙，潤(rùn)滑劑在工作溫度下的粘度以及清潔度對(duì)軸承應(yīng)用至關(guān)重要。因此研究調(diào)心滾子軸承承載分布與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及對(duì)應(yīng)的摩擦學(xué)的特性很有必要。浙江大學(xué)汪久根教授曾經(jīng)對(duì)調(diào)心滾子軸承的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜述[5]。
本文針對(duì)風(fēng)機(jī)特殊應(yīng)用工況下，對(duì)調(diào)心滾子軸承進(jìn)行了優(yōu)化分析，提出了新的非對(duì)稱設(shè)計(jì)，在相同的載荷工況下，提高了軸承的軸向承載能力，并結(jié)合軸向剛性對(duì)軸系的穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析。另外結(jié)合軸承可能出現(xiàn)的早期磨損，模擬計(jì)算了軸承內(nèi)部磨損因子p*v值的分布情況。并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化后軸承的可行性。對(duì)風(fēng)電主軸定位端的調(diào)心滾子軸承常見(jiàn)的早期磨損失效模式提出了預(yù)防和改善措施。
1　調(diào)心滾子軸承在風(fēng)電主軸中的布置形式
在目前裝機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，超過(guò)一半的風(fēng)機(jī)采用主軸軸承支撐結(jié)構(gòu)，即主軸承的內(nèi)圈安裝在旋轉(zhuǎn)的主軸上。根據(jù)主軸支撐點(diǎn)的個(gè)數(shù)，主軸軸承的布置形式分為兩點(diǎn)支撐和三點(diǎn)支撐。調(diào)心滾子軸承目前常見(jiàn)于雙饋風(fēng)電機(jī)組的主軸支撐應(yīng)用中，這是由于雙饋機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)一般包括輪轂、主軸、主軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等，其傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，需要考慮各部件溫升導(dǎo)致的尺寸膨脹，以及制造、裝配過(guò)程中的不對(duì)中對(duì)系統(tǒng)的影響。
1.1兩點(diǎn)支撐布置形式
采用定位端/浮動(dòng)端軸承支撐的兩點(diǎn)支撐形式是最典型的一種布置形式，如圖1所示。軸承被安裝在兩個(gè)獨(dú)立的或一個(gè)共同的軸承座內(nèi)。當(dāng)采用獨(dú)立軸承座的結(jié)構(gòu)時(shí)，主軸在軸承內(nèi)圈接觸的位置有撓曲變形，為了補(bǔ)償主軸和軸承座的不對(duì)中，必須采用調(diào)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(gè)軸承進(jìn)行浮動(dòng)補(bǔ)償，而另外一個(gè)為定位軸承。為了降低由于主軸的浮動(dòng)量對(duì)齒輪箱一級(jí)行星架的影響，將定位端軸承放在齒輪箱側(cè)。最終使輪轂側(cè)的浮動(dòng)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(diǎn)支撐布置形式
三點(diǎn)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(gè)支撐點(diǎn)是齒輪箱內(nèi)的一級(jí)行星架支撐軸承，作為浮動(dòng)端軸承，如圖2所示。定位端軸承常采用獨(dú)立的軸承座，需能夠補(bǔ)償相對(duì)于一級(jí)行星架浮動(dòng)端軸承的撓曲變形以及承受風(fēng)載中的軸向載荷，必須采用調(diào)心滾子軸承。另外重要的一點(diǎn)是，要在安裝時(shí)確保定位端軸承位置和浮動(dòng)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(diǎn)支撐，齒輪箱內(nèi)的支撐軸承作為兩個(gè)支撐點(diǎn)也需要承受風(fēng)力載荷，需要考慮主軸的振動(dòng)、熱膨脹、軸向竄動(dòng)等其他因素對(duì)齒輪箱的影響。

2　非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承的介紹
針對(duì)上述兩種布置形式的定位端軸承，在應(yīng)用過(guò)程中除要承擔(dān)徑向力之外還需要承擔(dān)較大的軸向力。而由于傳統(tǒng)的調(diào)心滾子軸承是對(duì)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(dān)，如圖3所示。在這種狀況下，如果軸承的潤(rùn)滑不良，很容易出現(xiàn)早期磨損。

非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承通過(guò)優(yōu)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(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性，兩列的滾動(dòng)體尺寸相同。在風(fēng)電應(yīng)用工況中，將大接觸角放置在齒輪箱側(cè)，小接觸角列放置在輪轂側(cè)。非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承的外形和傳統(tǒng)對(duì)稱型調(diào)心滾子軸承外形一致，如圖4所示。在更換軸承的同時(shí)不需要變更主軸和軸承座的設(shè)計(jì)尺寸，因此非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承可以和對(duì)稱調(diào)心滾子軸承互換使用，尤其針對(duì)風(fēng)電后市場(chǎng)，在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)升級(jí)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(yōu)點(diǎn)，本文將結(jié)合特定載荷通過(guò)與普通軸承進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
3　非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承優(yōu)點(diǎn)分析
3.1承載能力分析
以三點(diǎn)支撐布置形式中的定位端軸承應(yīng)用為例，對(duì)比計(jì)算常規(guī)對(duì)稱調(diào)心滾子軸承240/800和非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承240/800的承載情況。針對(duì)定位端軸承承受較大軸向力的特殊工況，為了對(duì)比明顯，選擇軸向力和徑向力比值大于e的工況，詳細(xì)載荷如表1所示。計(jì)算采用舍弗勒內(nèi)部專用軸承分析軟件Bearin-X^®。在該工況下軸承處載荷結(jié)果如表2所示。

圖5是在假設(shè)載荷條件下計(jì)算的常規(guī)對(duì)稱調(diào)心滾子軸承240/800和非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承240/800兩列滾子承載曲線對(duì)比，從圖中可以看出常規(guī)的對(duì)稱型軸承在該載荷工況下出現(xiàn)了單列承載現(xiàn)象，而非對(duì)稱軸承在該載荷下避免了該現(xiàn)象，而且主要承載列的載荷也有所降低，進(jìn)而提高了軸承整體的承載能力。從圖6可以發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承240/800的滾動(dòng)體接觸應(yīng)力曲線，由于滾動(dòng)體采用特殊的修形處理，避免了滾子邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生。

另外在疲勞載荷下，非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承的接觸應(yīng)力也有明顯降低。圖7是三種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)心滾子軸承的疲勞接觸應(yīng)力統(tǒng)計(jì)。從對(duì)比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承的整體接觸應(yīng)力水平最低。隨著近幾年低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，更多的大葉片風(fēng)機(jī)被開(kāi)發(fā)應(yīng)用，而相應(yīng)的疲勞載荷也有明顯的提高，導(dǎo)致很多原始機(jī)型需要通過(guò)增大尺寸才能滿足疲勞載荷要求。而采用非對(duì)稱調(diào)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(fēng)機(jī)。除此之外，對(duì)軸承滾道進(jìn)行超精加工，對(duì)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(duì)稱調(diào)心滾子軸承的軸向剛性也有明顯的提高。由于風(fēng)況的不穩(wěn)定，風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈系統(tǒng)在支撐和傳遞巨大的載荷的同時(shí)還需要克服一定的沖擊。尤其作為定位端軸承，通過(guò)承受軸向沖擊載荷可以緩解齒輪箱一級(jí)行星架在運(yùn)行過(guò)程中的承載狀況。對(duì)齒輪箱的使用也有一定的保護(hù)作用。圖8是三種軸承在不同軸向力作用下對(duì)應(yīng)的軸向位移，可以發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承整體的軸向位移都明顯小于對(duì)稱型調(diào)心滾子軸承。

3.3軸承動(dòng)力學(xué)分析
根據(jù)文獻(xiàn)[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(duì)滑動(dòng)速度。舍弗勒通過(guò)使用軸承動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件CABA3D?對(duì)比分析了不同軸承的p*v值。從圖9可以發(fā)現(xiàn)調(diào)心滾子軸承承載時(shí)沿滾子軸向只有兩點(diǎn)為純滾動(dòng)，此處的p*v接近于零，其他區(qū)域均有微觀的相對(duì)滑動(dòng)。而非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承在整個(gè)滾子承載范圍p*v值整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有異常的峰值出現(xiàn)。結(jié)合目前常見(jiàn)的調(diào)心滾子軸承失效模式，軸承滾動(dòng)體早期剝落一般從兩端開(kāi)始，與圖9計(jì)算結(jié)果中p*v的趨勢(shì)吻合。而采用非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承可以明顯改善軸承在運(yùn)行過(guò)程中沿滾子的p*v值，進(jìn)而降低軸承可能出現(xiàn)早期磨損失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4實(shí)際應(yīng)用和測(cè)試分析
為了驗(yàn)證非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承的可行性，舍弗勒通過(guò)內(nèi)部開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同軸承進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試分析，圖10統(tǒng)計(jì)了不同調(diào)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(duì)稱調(diào)心滾子軸承小摩擦力矩的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。

除了以上分析，為了方便應(yīng)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(duì)稱調(diào)心滾子軸承在風(fēng)電后市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始投入使用。結(jié)合目前非對(duì)稱軸承的實(shí)際應(yīng)用，圖11統(tǒng)計(jì)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)，主軸承在不同功率下的溫度分布，可以明顯看出非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承平均運(yùn)行溫度相比于對(duì)稱調(diào)心磙子軸承低至少2度，從應(yīng)用角度證實(shí)了非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承整體摩擦較小的優(yōu)勢(shì)。

4　結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)比分析不同工況下不同調(diào)心滾子軸承的應(yīng)用情況，對(duì)非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承進(jìn)行了詳細(xì)介紹，其具體特征和相應(yīng)優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：
非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承與傳統(tǒng)的對(duì)稱調(diào)心滾子軸承外形可互換，通過(guò)改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(xiàng)目和后市場(chǎng)升級(jí)風(fēng)機(jī)中均可以使用。
通過(guò)滾動(dòng)體修形改善軸承的接觸應(yīng)力，降低軸承的p*v值，進(jìn)而降低軸承早期磨損的風(fēng)險(xiǎn)。
在加工過(guò)程中增加了滾道超精工藝，提高了軸承的額定動(dòng)載荷，進(jìn)而使壽命得到提高。
結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承改善后的摩擦學(xué)性能。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證了非對(duì)稱調(diào)心滾子軸承實(shí)際平均運(yùn)行溫度比對(duì)稱調(diào)心滾子軸承低至少2度。

來(lái)源：《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》2019年第4期