风机轴承研制的关键技术要点

1、代号方法

国外各家厂商的风电轴承的代号尚未确切信息，国产风力发电机偏航、变桨轴承代号方法采用JB／T 10471―2004中转盘轴承的代号方法，但是在风力发电机偏航、变桨轴承中出现了双排四点接触球式转盘轴承，而此结构轴承的代号在JB／T 10471―2004中没有规定，因此，在风电轴承标准中增加了双排四点接触球转盘轴承的代号。由于单排四点接触球转盘轴承的结构型式用01代号表示，而02代号表示的是双排异径球转盘轴承结构型式，因此有公司用03代号表示双排四点接触球转盘轴承结构。

2、技术要求

2.1基本要求

风力发电机常年在野外工作，工况条件恶劣，温度、湿度和轴承载荷变化很大，风速最高可达23m/s，且带有冲击载荷，因此要求轴承有良好的密封和润滑性能、耐冲击、长寿命和高可靠性。因为发电机在2-3级风时就要启动，并能跟随风向变化而转动，所以需要特殊的轴承结构设计，以保证满足低摩擦、高灵敏度的要求。在设计和制造中，对外圈带齿的大型偏航轴承的材料加工、热处理、润滑、密封和防腐都有特别高的要求，需要进行专门设计研究。风力发电机主机寿命设定为20年，因此，要求风电轴承的可靠性寿命与机组寿命相同，且在20年以上，这是因为轴承安装位置不易拆装，且拆装费用高，周期长。

2.2安装部位

在风机的转子主轴、齿轮箱（增速机）、发电机、偏航齿轮箱（减速机）、以及偏航旋转座、叶片节矩旋转座、液压泵等部位都使用轴承。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。其中用于变桨和偏航系统的变桨轴承和偏航轴承为特大型转盘轴承。

2.3设计要求

2.3.1转子主轴轴承

转子主轴轴承，在经受变动负荷的同时，需反复不规律地起动、加速、减速、停止。因此除研究转子主轴轴承设计外，对轴承类型、轴承游隙、轴承滚子个数、凸面加工、保持架结构等各种条件，特别是对轴承使用部位的最小负荷、平均负荷、最大负荷，以及最佳技术条件的研究尤为重要。

设计时要考虑到最大承载负荷时，轴箱的必要强度和平均载荷时轴箱的变形，需进行轴承寿命的研究，选择满足没有额外累赘的瘦身轴箱设计，并在实用上充分计算主轴轴承的寿命。

另外，需考虑轴箱和外圈滚道面的变形，计算出各滚动体负荷，以及计算旋转套圈和固定套圈各自的寿命。

依据ISO,IEC,GL等国际规定对轴承理论寿命的计算制订指导方针。计算基准为：工作时间175000小时（20年）以上，安全率（静额定载荷/静等效载荷）2.0。

轴承的理论寿命采用以下公式进行计算：

Lmnh=aISO×106/60n（C/P）p

aISO：寿命修正系数

n:旋转速度（min-1）

C:基本动额定载荷（N）

P:动等效载荷

p:球轴承p=3 ；滚子轴承p=10/3

2.3.2 发电机用轴承

通常在发电机中配置深沟球轴承支持转子并采用脂润滑。用于发电机的轴承必须防止电蚀损伤。为此，在轴承外圈的外径部位至侧面均应喷镀特殊陶瓷层。喷镀绝缘陶瓷的轴承的抗电阻值要大于100MΩ，具有抗绝缘破坏电压2KV以上的绝缘性能。

2.3.3增速机轴承

增速机中使用的变桨轴承要求具有高可靠性，轻量化及小型化的特点。特别是高速轴的支承轴承，由于受轴向载荷和径向载荷的合成载荷作用，轴承寿命受到很大影响。与低速轴的轴承相比，该部位须采用既具有高载荷能力又具有高速性的轴承。

2.3.4偏航驱动装置轴承

偏航驱动装置轴承应符合减速机要求的既小型化，又大扭矩传输的特性，设计的截面要低，具有高刚性承受来自小齿轮的力矩载荷。为此，用于减速机主轴的角接触球轴承采用加深内外圈滚道沟，提高轴向载荷能力的特殊设计。

2.3.5结构形式

由于风电用转盘轴承除受较大的倾覆力矩外，还受空气动力和叶片转动等多种复杂疲劳载荷的影响，再加上高可靠性和长寿命的要求，更应在设计结构时注意轴承的动载荷能力，尤其是滚道的抗疲劳寿命。虽然国内标准已对变桨和转盘轴承的结构形式作出规定，但并没有给出合理的选型结构，从目前的装机使用情况来看，变桨轴承多采用双排四点接触球轴承，偏航轴承多采用单排四点接触球轴承，也有少量采用交叉滚子或其他形式的。

2.4材料

风电轴承的偏航、变桨轴承套圈材料一般选用42CrMo钢材，热处理采用整体调质处理，调质后硬度为229HB―269HB，滚道部分采用表面淬火，淬火硬度为55HRC-62HRC。传动系统轴承套圈一般采用ZGGr15或ZGGr15SiMn钢材制造。由于风力发电机偏航、变桨轴承的受力情况复杂，而且轴承承受的冲击和振动比较大，因此，要求轴承既能承受冲击，又能承受较大载荷。轴承套圈的基体硬度为229HB-269HB，才能保证承受冲击而不发生塑性变形，同时滚道部分表面淬火硬度要达到55HRC-62HRC，以便增加接触疲劳寿命，从而保证轴承长寿命的使用要求。鉴于我国先期安装风机的新疆、内蒙等地，气侯温差变化大、寒冷期长，风沙多，所以国内较早研制风机轴承的两大公司一开始均选用韩国釜山、平山钢铁公司的钢材，其主要特点是，耐低温冲击功性能优良。后来，因交货周期长和价格调升，现在也有改用日本三洋公司的钢材。

2.5低温冲击功

风电轴承标准对偏航、变桨转盘轴承套圈低温冲击功要求：―20℃Akv，不小于27J，冷态下的Akv值可与用户协商确定。有时风力发电机的工作地点可能处于极寒冷地区，所处环境温度低至―40℃左右，通常工作温度为―20℃左右，这就要求轴承在低温条件下，还能够承受大的冲击载荷，因此，在对轴承套圈材料调质处理后，必须进行低温冲击功试验。即取自轴承套圈上的一部分做成样件，或者选用与套圈同等性能和相同热处理条件下的样件，在―20℃环境温度下作冲击功试验。

2.6支承齿圈加工及热处理

由于风力发电机轴承的传动精度不高，而且齿圈直径比较大，齿轮模数也大，因此，一般要求齿轮按GB／T10095．2---2001中的9级，或者10级的精度等级加工。但是，由于在工作状态下小齿轮和轴承齿圈之间有冲击负荷，因此，要对轴承齿圈的齿面淬火。小齿轮的齿面硬度一般在60HRC，考虑到等效寿命的设计要求，规定大齿轮的齿面淬火硬度不低于45HRC。由于实际使用过程中有98%的损坏来自滚道的损坏，因此对滚道表面淬火硬度、淬硬层有特殊要求，一般要达到55~62 HRC。

2.7游隙

在安装游隙方面对偏航、变桨轴承有特殊的要求。相对于偏航轴承，变桨轴承的冲击载荷较大，考虑到大风吹到叶片上的震动会很大，所以要求变桨轴承的游隙应为零游隙，或稍小的负游隙值，这样在震动的情况下可减小轴承的微动磨损。要求偏航轴承小游隙值：0-0.05。另外，由于风力发电机的驱动电机都是由偏航和变桨轴承来传动，应能保证轴承在负游隙或小游隙状态下转动驱动电机。因此，在轴承装配后，需要空载测量启动摩擦力矩，根据主机驱动系统的不同，具体的力矩数值也不尽相同。


2.8 润滑

由于风电轴承的野外作业环境恶劣，受载荷复杂，经常需在极高温、极低温、昼夜温差大和转速变化多的环境下工作，推荐选用适应性强的锂复合基脂和聚脲基脂的润滑脂。针对我国风力发电机的分布情况，风电轴承的润滑剂要求具有耐低温、极压抗磨和热稳定性，国外一般推荐使用含固体添加剂的1# 稠度的低温润滑脂，在-40℃以下仍能润滑，国产润滑脂可用7011低温极压润滑脂。

某公司早先开发的风电轴承按参照丹麦维斯塔斯、美国GE和苏司兰等国外公司的推荐，采用厂商指定的美孚Mobil SHC 460WT润滑脂或壳牌Sheel Rhodina BBZ（变桨轴承）润滑脂，以及（德国）Fuchs Gleitmo 585k （偏航轴承）。特别是：Mobil SHC 460WT润滑脂的性能出色，适宜偏航、变桨和主轴轴承，作业温度范围为-40℃至150℃ 。

2.9 密封

风电轴承的密封材料一般采用丁晴橡胶（SN7453），结构形式为唇形密封圈。在气候寒冷，温差大的地区，则选用氟橡胶材料的密封圈 ，其耐寒性能强，工作温度范围宽，高温可适应200℃左右。采用国外某些大企业选用的双唇形密封结构，能有效防止辐射和氧化气体进入轴承内；另外，对于特别环境的风场，还应考虑专用的密封圈材料和结构设计。

2.10防腐处理

由于风力发电机设备的部分安装部位裸露在外面，尤其是海上风力发电机，长期工作于海上腐蚀性盐雾环境下，必须严格保证密封质量。要求对偏航和变桨轴承的齿面和滚道，以及其他表面部分进行防腐处理，一般先作喷砂处理，再热喷涂镀（镀锌或铬）。根据需要，可在镀锌层外部采取刷漆保护措施。

3、结语

风机轴承开发研制中，存在的主要技术难点是实现长寿命所需要的密封结构和润滑脂、特殊的滚道加工方法和热处理技术、专用保持架结构设计和加工制造方法等。目前国内的技术水平与国外先进水平相比仍存在较大差距，但近几年来我国某些单位已经在这些方面取得了一些突破性进展，这些研究成果，必将加速风机轴承国产化的进程。笔者综述的关键技术要点，仅作为抛砖引玉，启发从事风电轴承设计和研制人员的思考，并引起重视，以期对国内风电轴承的研发和自主创新有所帮助。