張森林 劉紅

摘 要：詳細(xì)的闡述了風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)和組成，并詳細(xì)介紹了大型海上風(fēng)電機(jī)組的類型和主傳動(dòng)鏈軸承的設(shè)計(jì)選型情況。采用有限元分析軟件對(duì)該軸承的強(qiáng)度、疲勞和連接螺栓做進(jìn)一步的計(jì)算分析。并采用軸承的計(jì)算軟件對(duì)軸承的壽命進(jìn)行校核和計(jì)算。結(jié)論為主傳動(dòng)鏈的計(jì)算和主軸軸承的設(shè)計(jì)和選型提供可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：海上大型風(fēng)電機(jī)組；主傳動(dòng)鏈軸承；靜強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度；疲勞壽命

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.16.090

0 引言

目前，在海上大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中，由于對(duì)風(fēng)電機(jī)組的性能要求比陸上機(jī)組還要更高，因此對(duì)風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈的要求就會(huì)更高。要求機(jī)組的傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)要更穩(wěn)定、更可靠。在主傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)中，軸承的選型設(shè)計(jì)是否正確、合理往往決定了整個(gè)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的成敗。因此，在大型海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中，我們往往都需要先確定整個(gè)機(jī)組傳功鏈的總體結(jié)構(gòu)，明確主傳動(dòng)系統(tǒng)中主軸承的選型和設(shè)計(jì)方案后，才能進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)機(jī)組的其他部件。因此，本文主要闡述大型海上風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)以及主軸軸承的設(shè)計(jì)選型方法。

1 風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈軸承布置方式

風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈軸承布置方式有如下幾種類型。調(diào)心滾子軸承三點(diǎn)式支撐方式；調(diào)心滾子軸承四點(diǎn)式支撐方式；雙列圓錐軸承+雙列圓柱軸承布置方式；雙列圓錐軸承+單列圓柱軸承布置方式；單列圓錐軸承+單列圓柱軸承布置方式；單列圓錐軸承+單列圓錐軸承布置方式；單個(gè)超大單列圓錐布置方式；單個(gè)三排滾子軸承布置方式。

2 海上風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈軸承布置方式

鑒于海上風(fēng)電機(jī)組對(duì)傳動(dòng)鏈的要求更好，防腐的要求更高。因此我們?cè)谶M(jìn)行海上大型機(jī)組設(shè)計(jì)的時(shí)候，一般都采用國外進(jìn)口的軸承。比如：SKF、TIMKEN、FAG等國際品牌的大型軸承。主傳動(dòng)鏈軸承的布置方式也要求更加嚴(yán)格，傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)也要更加合理。一般海上的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量都比較大，考慮到經(jīng)濟(jì)性和整機(jī)的成本，一般海上的機(jī)組單機(jī)容量都在3MW以上。一般都采用直驅(qū)或者半直驅(qū)的形式，對(duì)于直驅(qū)型的大型風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)鏈一般采用超大型的雙列圓錐滾子軸承，或者是雙列圓錐滾子軸承+單列圓柱滾子軸承的方式。對(duì)于半直驅(qū)的大型風(fēng)電機(jī)組，主傳動(dòng)鏈的軸承一般采用雙列圓錐+雙列圓柱，單列圓錐軸承+單列圓錐軸承，單個(gè)超大三排滾子軸承方式。因此，調(diào)心滾子軸承的支撐方式就不在適合海上大型機(jī)組傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)，海上風(fēng)電機(jī)組主傳動(dòng)鏈軸承的布置方式有如下幾種。

2.1 雙列圓錐軸承+雙列圓柱軸承布置方式

雙列圓錐軸承+雙列圓柱軸承布置方式如圖1所示。

雙列圓錐軸承+雙列圓柱軸承布置方式具有如下幾個(gè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）軸向前膨脹，對(duì)電機(jī)連接影響??；

（2）圓柱軸承承受大部分徑向力，圓錐軸承受部分徑向力和全部軸向力；

（3）載荷分配更合理，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較好；

（4）圓柱軸承有游隙，剛性較差；

（5）圓柱受力較大，滾子設(shè)計(jì)增大，輕載時(shí)易打滑；

（6）軸承座必須采用整體的形式。

此種傳動(dòng)鏈的方式更適合帶齒輪箱的雙饋機(jī)型或者是半直驅(qū)的機(jī)型。能夠合理的分配機(jī)組的載荷，使機(jī)組的受力更加合理。同時(shí)，軸承的成本相對(duì)比較低，經(jīng)濟(jì)性好。因此，在不考慮傳動(dòng)鏈長度尺寸的情況下，可以優(yōu)先考慮該種方案。

2.2 雙列圓錐軸承+單列圓柱軸承布置方式

雙列圓錐軸承+ 單列圓柱軸承布置方式如圖2所示。

雙列圓錐軸承+單圓柱軸承布置方式具有如下幾個(gè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）圓錐軸承的預(yù)緊剛性好，機(jī)組運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)；

（2）圓柱軸承受載小，可設(shè)計(jì)較小滾子，不易打滑；

（3）圓錐受大部分徑向力和軸向力，尺寸較大，價(jià)格較貴；

（4）圓柱浮動(dòng)端， 熱膨脹主軸會(huì)帶動(dòng)齒輪箱后移；

（5）必須采用整體軸承座，軸承座尺寸相對(duì)較大。

此種傳動(dòng)鏈的方式適合直驅(qū)機(jī)型和帶齒輪箱的雙饋機(jī)型。軸承的跨度比較大，軸承座也必須是整體的結(jié)構(gòu)，軸承座的尺寸相對(duì)較大，加工的成本較高。圓柱軸承的尺寸較大，成本也相對(duì)較高。

2.3 單列圓錐軸承+單列圓錐軸承布置方式

單列圓錐軸承+單列圓錐軸承布置方式和受力情況如圖3所示。

單列圓錐軸承+單列圓錐軸承布置方式具有如下幾個(gè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）圓錐預(yù)緊剛性好，機(jī)組穩(wěn)定性好；

（2）都采用圓錐軸承，軸承的相對(duì)成本低；

（3）安裝時(shí)候需要進(jìn)行計(jì)算預(yù)緊力，安裝相對(duì)困難。

此種傳動(dòng)鏈的方式適合帶齒輪箱的雙饋機(jī)型。而且比較適合大型海上機(jī)組的樣機(jī)設(shè)計(jì)，軸承的設(shè)計(jì)跨度也相對(duì)較大，軸承座必須整體鑄造加工，軸承座的尺寸相對(duì)較大，加工的成本較高。由于該種結(jié)構(gòu)每臺(tái)機(jī)型都需要單獨(dú)的計(jì)算預(yù)計(jì)力。因此，對(duì)于大型的批量機(jī)組不太適用。

2.4 超大雙列圓錐軸承布置方式

超大雙列圓錐軸承的布置方式如圖4所示。

雙列圓錐滾子軸承的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）設(shè)計(jì)理念非常好，在承受較大徑向力的同時(shí)，也大大加強(qiáng)了軸承的軸向承載能力，同時(shí)也可以承受較大的傾覆力矩。

（2）圓錐滾子做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生摩擦生熱的現(xiàn)象。

雙列圓錐滾子軸承的缺點(diǎn)如下：

（1）承載方面軸向力和徑向力容易發(fā)生干涉；軸承的軸向負(fù)荷能力大部分是由接觸角α決定的；α角度越大，軸向負(fù)荷能力就越高，但同時(shí)會(huì)降低軸承徑向負(fù)荷能力；

（2）雙列圓錐滾子軸承是一種向心推力軸承，要求軸承的工作游隙接近于零，或有少量的預(yù)緊過盈，但是軸承的制造游隙較難控制，且軸承安裝也會(huì)造成游隙的變化，因此對(duì)軸承影響非常大，安裝時(shí)的軸向預(yù)緊量難以精確控制，直接影響軸承壽命；

（3）滾道的錐度加工精度難以達(dá)到設(shè)計(jì)理念；

（4）由于滾子表面與內(nèi)外滾道之間的接觸角不同，因此軸承在工作過程中，沿滾子與擋邊的接觸線上會(huì)存在一個(gè)分力，導(dǎo)致滾子基面與擋邊產(chǎn)生滑動(dòng)，且此處的潤滑效果較差，從而降低軸承壽命；

（5）保持架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，費(fèi)用高。

此種傳動(dòng)鏈的方式即可適合直驅(qū)機(jī)型又可適合帶齒輪箱的雙饋機(jī)型。機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，尺寸鏈緊湊。但是，軸承的生產(chǎn)和加工的費(fèi)用很高，軸承比較昂貴。一般都得采用國外進(jìn)口的大型軸承，生產(chǎn)的周期也很長。比較適合海上較大機(jī)組。不需要軸承座，主機(jī)架和軸承座可以設(shè)計(jì)成一體的，安裝相對(duì)也比較困難，需要計(jì)算軸向的預(yù)緊量。

2.5 三排滾子軸承布置方式

三排滾子軸承的布置方式如圖5所示。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）軸向力由軸向滾子承受，徑向力由徑向滾子承受，兩者互不干涉；

（2）滾道易于加工，加工精度可以達(dá)到設(shè)計(jì)理想值；

（3）如果安裝預(yù)緊條件不變，軸承設(shè)計(jì)制造過程可以確定準(zhǔn)確的游隙值，安裝后可保證軸承正常工作，同時(shí)可保證批量生產(chǎn)的一致性；

（4）保持架結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，加工難度小。

缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)理念相對(duì)不是很理想，推力滾子易產(chǎn)生滑動(dòng)，摩擦生熱，使軸承溫度過高，潤滑失效。

3 海上機(jī)組主傳動(dòng)鏈選型結(jié)論

（1）對(duì)于雙軸承支承系統(tǒng)的方案。

優(yōu)點(diǎn)：軸承尺寸相對(duì)較小，軸承成本相對(duì)較低。

缺點(diǎn)：機(jī)艙的尺寸較大，機(jī)組的重量比較重，成本相對(duì)較高。

（2）對(duì)于單軸承支承系統(tǒng)的方案。

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)組的結(jié)構(gòu)更加緊湊，機(jī)艙的尺寸小，機(jī)組的體積小，重量輕。具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

缺點(diǎn)：軸承的尺寸相對(duì)較大，軸承生產(chǎn)和加工存在一定的困難，軸承本身的成本較高。

因此，對(duì)于大型海上機(jī)組主傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)還要根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，要綜合考慮各個(gè)因素，無論選擇哪種傳動(dòng)鏈的類型都需要考慮具體的情況而定?？紤]到機(jī)組的類型、軸承的成本、軸承的安裝方式、軸承的使用壽命等因素。

參考文獻(xiàn)

[1]Tony Burton著，武鑫譯.風(fēng)能技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]姚興佳，田德.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理論和設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]楊校生等譯.挪威船級(jí)社.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理論和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)導(dǎo)則[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.