陸建國

（鐵姆肯（中國）投資有限公司，上海 200030）

0 引言

繼陸地風(fēng)場(chǎng)被大規(guī)模開發(fā)后，越來越多的人開始把目光轉(zhuǎn)向海上風(fēng)電這塊更廣闊的領(lǐng)地。但是，由于風(fēng)電機(jī)組的功率和應(yīng)用環(huán)境的不同以及相對(duì)來說更加昂貴的維修費(fèi)用，海上風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)要求以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上要高于陸地風(fēng)電機(jī)組。軸承作為風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈中最核心的零部件之一，其在設(shè)計(jì)、選型、應(yīng)用分析和安裝維護(hù)等方面對(duì)于風(fēng)電機(jī)組整個(gè)壽命周期內(nèi)的運(yùn)行效率和可靠性有著極其重大的影響。隨著風(fēng)電機(jī)組功率設(shè)計(jì)的大型化（如5MW—10MW風(fēng)電機(jī)組），海上風(fēng)電機(jī)組軸承選型時(shí)如何平衡可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性往往是困擾設(shè)計(jì)人員的問題之一。本文針對(duì)這種情況，對(duì)目前常見的幾種軸承設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了綜合比較，并著重分析了目前國內(nèi)設(shè)計(jì)人員對(duì)單列圓錐雙軸承方案存在的一些誤解和顧慮。

對(duì)于2MW以上的風(fēng)電機(jī)組尤其是直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組，傳統(tǒng)的調(diào)心滾子軸承設(shè)計(jì)方案已經(jīng)比較少見，而主流的剛性軸承設(shè)計(jì)方案主要有3種形式，分別是：

方案a 圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承雙軸承方案；

方案b 超大雙列圓錐滾子軸承單軸承方案；

方案c 單列圓錐滾子軸承雙軸承方案。

實(shí)際上，這三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，以筆者和國內(nèi)許多設(shè)計(jì)人員交流的情況來看，目前國內(nèi)設(shè)計(jì)人員對(duì)于前兩種設(shè)計(jì)的應(yīng)用特點(diǎn)已經(jīng)比較了解，但對(duì)第三種方案卻缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。以下將對(duì)3種方案逐一解讀。

1 方案a——圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承雙軸承方案

這種方案被廣泛地應(yīng)用于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的主軸支撐結(jié)構(gòu)中，國外某知名設(shè)計(jì)公司已經(jīng)成功把這種設(shè)計(jì)方式應(yīng)用于5MW的機(jī)型之中，也有風(fēng)電機(jī)組制造商采用此方案用于6.5MW的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組之中。值得一提的是，這種設(shè)計(jì)方案的布置形式有兩種選擇：一是圓錐滾子軸承布置于上風(fēng)向位置，圓柱滾子軸承布置于下風(fēng)向位置；二是圓錐滾子軸承布置于下風(fēng)向位置，圓柱滾子軸承布置于上風(fēng)向位置。這兩種不同的布置形式都有風(fēng)電機(jī)組制造商在采用，在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)劣。但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(dòng)端而吸收軸向熱膨脹[1]。圓錐滾子軸承被布置于上風(fēng)向時(shí)，由于其不僅要承受很大的徑向力而且還要承受軸向力，軸承所需的承載能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下風(fēng)向的圓柱滾子軸承。因此，軸承的成本相對(duì)會(huì)比較高。但是，圓錐滾子軸承可以采用負(fù)游隙使主軸系統(tǒng)的整體剛性得到提高。總體來看這種方案最大的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性比較好，溫差的變化對(duì)于軸承游隙影響比較小，只要在設(shè)計(jì)時(shí)把溫差影響考慮進(jìn)去就沒有問題了。不過，在選擇軸承游隙時(shí)要盡可能地保證兩列軸承都有足夠理想的承載區(qū)域。該方案中圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承的載荷支撐點(diǎn)理論上都位于軸承的中心位置，如圖1所示。因此，采用該方案后，同等條件下主軸應(yīng)該比其他兩種方案要長(zhǎng)。在3MW以下風(fēng)電機(jī)組中該問題也許并不突出，但如果風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)功率繼續(xù)上升，軸及軸承座的加工難度及成本會(huì)隨之加大。

2 方案b——超大雙列圓錐滾子軸承單軸承方案

這種方案最大的特點(diǎn)就是主軸非常短，為了提高抗傾覆力矩的能力，軸承徑向直徑很大而且采用的錐角也非常大，一般接近于45錐度，以此來提高軸承的兩個(gè)實(shí)際支承點(diǎn)的跨距，增加剛性支撐能力[2]。這種方案在直驅(qū)型、雙饋型風(fēng)電機(jī)組和混驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組中都比較常見，原因在于整個(gè)軸系傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)非常緊湊，如圖2所示。一般情況下，軸承的游隙值采用負(fù)游隙，以實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。在一些設(shè)計(jì)中軸承內(nèi)外圈也直接依靠螺栓連接而省去了主軸以及軸承座。如果采用這樣的設(shè)計(jì)，必須要對(duì)螺栓的夾緊力對(duì)軸承游隙的影響進(jìn)行深入的分析計(jì)算。

從實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)來看，這種軸承設(shè)計(jì)非常適合超緊湊型風(fēng)電機(jī)組理念，因?yàn)榭梢杂行У乜刂茩C(jī)艙重量。目前國內(nèi)2MW，2.5MW，3MW和5MW都有機(jī)型批量化地采用這種設(shè)計(jì)方案，其風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行情況也是穩(wěn)定可靠的。

3 方案c——單列圓錐滾子軸承雙軸承方案

前兩種方案國內(nèi)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)比較熟悉，但對(duì)于單列圓錐滾子軸承雙軸承方案，國內(nèi)許多設(shè)計(jì)人員還是相對(duì)比較陌生的，而實(shí)際上這種方案在國外早已是非常成熟，并有商業(yè)化風(fēng)電機(jī)組批量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

圖1 圓錐滾子軸承搭配圓柱滾子軸承雙軸承方案布置圖

圖2 超大雙列圓錐滾子軸承單軸承方案布置圖

這種方案又分為長(zhǎng)距離跨式布置形式以及懸臂梁布置形式。以往功率較小的風(fēng)電機(jī)組可以采用跨式布置形式，其優(yōu)點(diǎn)是軸承受力較小，成本相對(duì)較低，但功率較大時(shí)隨著葉片以及輪轂尺寸的變大，主軸也不得不隨著變長(zhǎng)。因此，主軸的加工開始變得困難。比較來看，跨式布置形式在國外有不少應(yīng)用，但國內(nèi)卻比較少見。與之相對(duì)應(yīng)的是采用懸臂梁布置形式時(shí)上風(fēng)向軸承尺寸較大，成本較高，但主軸設(shè)計(jì)的限制比較少，加工相對(duì)也要簡(jiǎn)單一些。

通常齒輪箱里兩個(gè)單列圓錐滾子軸承采用面對(duì)面的布置形式[3]，但風(fēng)電主軸上卻采用背對(duì)背安裝，主要是為了提高軸承的實(shí)際支承距離從而降低軸承支反力或者說提高系統(tǒng)承受傾覆力矩的能力，因此采用該種方案時(shí)主軸的長(zhǎng)度可以比雙列圓錐加圓柱的方案要短一些。如果從成本角度來看，整個(gè)軸系（含軸承）的綜合成本要比第一種方案低。從軸承內(nèi)部設(shè)計(jì)的角度來看，一般適合采用錐角略大的設(shè)計(jì)以進(jìn)一步提高跨距，尤其是在下風(fēng)向軸承承載能力足夠的情況下。另外，下風(fēng)端軸承受力較小，所以可以采用較小的軸承以降低成本。當(dāng)然如果是軸承座連接輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)，下風(fēng)向軸承由于承受了軸向力，因此要具體情況具體分析，如圖3所示。

正如很多設(shè)計(jì)人員擔(dān)心的那樣，這種設(shè)計(jì)在調(diào)整游隙時(shí)具有一定的難度，主要原因是單列圓錐滾子軸承采用了背對(duì)背的布置而且內(nèi)外圈都是緊配合。但從實(shí)踐來看，只要掌握了一定的技巧或者說方法之后是完全可以克服的。我們和主軸設(shè)計(jì)人員交流時(shí)一般會(huì)提供兩種游隙調(diào)整方法，一種是通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和計(jì)算，另一種是采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)圈模塊。這兩種方案在國外以及國內(nèi)都有應(yīng)用。圖4是標(biāo)準(zhǔn)模塊的安裝方法。

實(shí)際上，由于游隙是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量調(diào)整，實(shí)際的裝機(jī)游隙能夠控制在一個(gè)非常小的范圍之內(nèi)。第一種方案圓錐滾子軸承安裝后游隙范圍一般在0.2mm — 0.4mm，而這種方案則可以控制在0.1mm之內(nèi)，使預(yù)緊力控制更為精確。而且從實(shí)踐來看，這種方案軸承的壽命曲線相對(duì)比較平緩，所以所允許的游隙誤差和安裝誤差也比較大，如圖5所示。

圖3 外圈旋轉(zhuǎn)的單列圓錐滾子軸承雙軸承布置方案

圖4 采用標(biāo)準(zhǔn)模塊的安裝方法

圖5 軸承系統(tǒng)壽命和安裝后游隙的關(guān)系

表1 3種軸承方案比較

很多設(shè)計(jì)人員還有另外一個(gè)顧慮，那就是熱脹冷縮。由于風(fēng)電機(jī)組所處的環(huán)境溫度變化比較大，所以他們擔(dān)心在比較極端的溫度下軸承的游隙變化太大，從而導(dǎo)致軸承發(fā)生提前損壞。事實(shí)上，這種擔(dān)心是沒有必要的。首先必須要把溫度變化和溫差區(qū)分，其次要正確認(rèn)識(shí)圓錐軸承布置形式對(duì)溫度敏感性的問題。影響軸承游隙的是內(nèi)外圈的溫差而不是整體環(huán)境的溫度變化，環(huán)境溫度從常溫上升到50℃時(shí)，不僅僅只有軸會(huì)膨脹，其他的部件也會(huì)。在膨脹系數(shù)差別不大的前提下，游隙的變化不會(huì)有很多人想象的那么大。還有更重要的一點(diǎn)就是單列圓錐滾子軸承布置形式分為背對(duì)背布置以及面對(duì)面布置，這兩種布置形式適用于不同的應(yīng)用，在風(fēng)電機(jī)組主軸上為了提高抗傾覆力矩的能力，一般采用背對(duì)背的布置形式。這兩種布置形式軸承的運(yùn)行游隙對(duì)溫差敏感性是完全不同的。假定在一個(gè)應(yīng)用中，有兩個(gè)錐角為23°的單列圓錐滾子軸承被布置成背對(duì)背以及面對(duì)面兩個(gè)形式，假設(shè)溫差達(dá)到20℃，軸承之間距離為2m，軸承外圈平均工作點(diǎn)直徑0.9m，零部件的膨脹系數(shù)為12*E-6，那么面對(duì)面安裝時(shí)軸向游隙的變化為0.984mm，背對(duì)背安裝時(shí)軸向游隙的變化為0.024mm，兩種不同布置形式對(duì)溫差的敏感性差別極大。對(duì)此，也許會(huì)有人不解——只是換了個(gè)布置形式為什么差別有這么大？實(shí)際上，軸的膨脹有兩個(gè)方向，一個(gè)是徑向，一個(gè)是軸向，徑向的膨脹會(huì)導(dǎo)致游隙的減小，但軸向的膨脹在背對(duì)背布置會(huì)增大游隙，最終游隙的變化大小取決于軸承直徑，錐角以及軸承間距離這些因素的綜合影響，在設(shè)計(jì)階段如果預(yù)先把溫度的影響考慮進(jìn)來，那么熱脹冷縮對(duì)游隙的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

其實(shí)這種設(shè)計(jì)方案在國外已經(jīng)比較普遍，采用這種設(shè)計(jì)的最大機(jī)型是10MW風(fēng)電機(jī)組，實(shí)際安裝的最大機(jī)型已達(dá)到7MW。而國內(nèi)也有一些廠家已經(jīng)采用這種方案，已經(jīng)裝機(jī)的最大機(jī)型是5.5MW風(fēng)電機(jī)組，批量化生產(chǎn)的有2MW和2.5MW等機(jī)型。由于在5MW以上機(jī)型中采用這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)比較明顯，目前國內(nèi)其他大部分風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)商也都在嘗試這種新型設(shè)計(jì)方案。

針對(duì)3種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)，我們對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單的定性比較，如表1所示。

4 結(jié)論

綜上，我們針對(duì)適用于海上風(fēng)電機(jī)組的幾種軸承設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較分析，并對(duì)其進(jìn)行了精煉的歸納總結(jié)，可供風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)人員在具體軸承選型時(shí)進(jìn)行參考、指導(dǎo)分析。

[1] Laurentiu Lonescu,Thierry Pontius.一端軸承浮動(dòng)，另一端軸承固定的風(fēng)電機(jī)組主軸[J].電氣制造, 2010(3).

[2] 劉溯.優(yōu)化大功率風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)和可靠性的軸承解決方案[J]. 風(fēng)能產(chǎn)業(yè),2011(8).

[3] Frank Schwingshandl,Max Bodmer,Gerald Fox. 模塊化風(fēng)電機(jī)組機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)裝置的先進(jìn)解決方案[J]. 電氣制造, 2010(3).