何先照 ，盧江躍 ，申屠東華 ，李 陳 ，李晨曦

（1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州310000；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310000）

0 引言

主軸組件作為風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈最核心組成部件，吸引了大量研究學(xué)者對(duì)主軸組件的布置形式及主軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及對(duì)主軸組件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的理論研究較為深入。Souich YAGI[1]、俞黎萍[2]、陳波[3]等人研究了風(fēng)電機(jī)組主軸組件不同布置形式及主軸承選型特點(diǎn)；Z.Hameed[4]、Andrew Kusiak[5]等人研究了主軸組件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法，為主軸組件設(shè)計(jì)選型及后續(xù)主軸組件狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供理論支持。

風(fēng)電機(jī)組主軸組件可采用主軸水平或垂直方式開展裝配，以主軸垂直方式開展裝配居多。研究學(xué)者對(duì)主軸組件裝配方式及裝配過(guò)程質(zhì)量控制方法以及裝配質(zhì)量檢測(cè)理論研究較少，僅從裝配方式可行性、有效性方面作出闡述[6-7]，忽略了對(duì)主軸組件裝配過(guò)程的研究，從而缺乏對(duì)主軸組件裝配過(guò)程的理論分析，缺乏對(duì)主軸組件裝配后的裝配質(zhì)量科學(xué)檢測(cè)手段。本研究主要對(duì)主軸垂直裝配方式下的主軸組件裝配質(zhì)量開展研究，研究主軸組件在裝配過(guò)程的控制參數(shù)，對(duì)主軸組件的裝配質(zhì)量進(jìn)行控制。結(jié)合本研究成果設(shè)計(jì)了曲柄連桿機(jī)構(gòu)與軸向游隙調(diào)整工裝，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)控制液壓油缸的伸縮狀態(tài)，可有效準(zhǔn)確控制主軸承與前擋圈的軸向間隙，從而達(dá)到通過(guò)軸向間隙調(diào)整工裝調(diào)節(jié)主軸組件裝配后主軸承軸向游隙，有效提升主軸組件的整體剛度，從而解決主軸組件安裝工藝不完善帶來(lái)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，保證風(fēng)電機(jī)組主軸組件運(yùn)行安全。

1 主軸組件裝配過(guò)程剖析

風(fēng)電機(jī)組主軸組件主要包括主軸、主軸承、前后端圈、前后端蓋、軸承座等相關(guān)零件，如圖1所示。

圖1 主軸承組件局部示意圖

本研究主要研究了風(fēng)電機(jī)組主軸組件采用垂直熱套裝配方式安裝，對(duì)主軸軸向定位及軸承游隙的影響。垂直熱套裝配方式的主軸承與主軸冷卻過(guò)程可概括為：將主軸垂直豎立起來(lái)，主軸承采用感應(yīng)加熱方式，加熱到設(shè)定溫度后，迅速套入主軸，主軸承溫度開始下降，內(nèi)徑變小，主軸溫度開始上升，外徑變大；當(dāng)主軸承與主軸配合的過(guò)盈產(chǎn)生抱緊力能克服主軸承自重后，主軸承與主軸完全抱緊；因主軸承與主軸仍然存在溫差，主軸承繼續(xù)冷收縮將導(dǎo)致前擋圈與主軸承端面產(chǎn)生軸向間隙；與此同時(shí)主軸承在重力作用下，主軸承內(nèi)外圈將出現(xiàn)錯(cuò)位從而影響軸向游隙。結(jié)合主軸承與主軸的冷卻過(guò)程將該冷卻過(guò)程分為三個(gè)階段，自由冷卻階段、接觸收縮冷卻階段、抱緊冷卻階段，如圖2所示。

圖2 主軸承與主軸冷卻曲線

（1）自由冷卻階段：在主軸承剛套入主軸，t0時(shí)刻環(huán)境溫度℃，主軸承溫度為℃0；主軸承套入主軸后，主軸承溫度迅速冷卻，與主軸承配合段的主軸迅速升溫，主軸外徑小于主軸承內(nèi)徑，在重力作用下，主軸承與前擋圈之間不產(chǎn)生間隙；

（2）接觸收縮冷卻階段：隨著主軸承冷卻，主軸承內(nèi)徑縮小，主軸溫度升高，主軸外徑變大，在t1時(shí)刻主軸承內(nèi)徑與主軸外徑值相等，主軸承與主軸開始接觸，主軸承溫度繼續(xù)降低，在主軸承與主軸配合面過(guò)盈量產(chǎn)生的抱緊力還不足克服主軸承外圈自身重力時(shí)，主軸承與前擋圈之間不產(chǎn)生間隙，在t2時(shí)刻主軸承自重等于主軸承與主軸之間產(chǎn)生抱緊力，主軸承與主軸完全抱緊，主軸承內(nèi)圈停止向下運(yùn)動(dòng)。

（3）抱緊冷卻階段：在t2時(shí)刻主軸承與主軸存在溫差，隨后主軸溫度繼續(xù)上升，主軸承溫度繼續(xù)下降，t時(shí)刻主軸承與主軸溫度達(dá)到一致時(shí)，主軸承前后溫差為ΔT=℃2-℃3，但在此冷卻過(guò)程中，主軸承與主軸溫差ΔT將引起主軸承收縮，從而導(dǎo)致前擋圈與主軸承之間產(chǎn)生軸向間隙，軸向間隙的大小取決于溫差ΔT，之后主軸承與主軸一起冷卻至環(huán)境溫度℃。

2 理論分析

通過(guò)對(duì)主軸承安裝過(guò)程剖析可知溫差ΔT將直接影響主軸承軸向游隙及軸向定位精度，溫差ΔT由主軸承重量以及主軸與主軸承配合公差決定，因而以控制溫差ΔT為研究對(duì)象。

2.1 溫差膨脹

主軸承采用熱套裝配，主軸承加熱到設(shè)定溫度后，主軸承內(nèi)圈在軸向及徑向均發(fā)生膨脹，按材料線性膨脹原理[8]，主軸承內(nèi)圈軸向、徑向單位溫差膨脹量分別為：

式中，α為線性膨脹系數(shù)，L為主軸承內(nèi)圈寬度，d為主軸承內(nèi)圈直徑。

2.2 主軸與主軸承配合

主軸承與主軸采用過(guò)盈配合，配合面所產(chǎn)生的軸向摩擦阻力為Ff，根據(jù)主軸承與主軸冷卻曲線可知，當(dāng)主軸承的重量G等于摩擦阻力Ff，即

式中，d為配合公稱直徑，l為配合長(zhǎng)度，f為配合面摩擦系數(shù)，P為配合面徑向壓力。

根據(jù)材料力學(xué)有關(guān)厚壁圓筒的計(jì)算理論[9]，在徑向壓力P為時(shí)所需最小過(guò)盈量為：

式中，E1、E2分別為被包容加與包容件彈性模量，d1、d2分別為被包容加與包容外徑，μ1、μ2分別為被包容加與包容外徑，Δ為配合面過(guò)盈量。

因而重力能克服過(guò)盈量為：

設(shè)主軸承與主軸徑向過(guò)盈量為δ，則ΔT為ΔT＝（δ-V）/Lr，根據(jù)熱脹冷縮對(duì)稱原理，在ΔT溫差下，軸向間隙為S=VTLa/2，因而軸向游隙受溫差ΔT影響。

3 液壓連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配方法

在主軸承與主軸配合、重量一定的情況下，可通過(guò)圖3液壓連桿機(jī)構(gòu)，施加軸向載荷壓緊主軸承內(nèi)圈。將支承盤通過(guò)螺栓組件固定在主軸承聯(lián)接法蘭上，在主軸承安裝之前，液壓連桿機(jī)構(gòu)處以張開狀態(tài)，當(dāng)主軸承熱套安裝就位后，立刻通過(guò)控制液壓缸桿件的伸縮，推動(dòng)壓桿運(yùn)動(dòng)，致使壓桿繞銷軸旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)要求壓桿與支承盤接觸壓力垂直向下，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸承內(nèi)圈的壓緊，在主軸承冷卻過(guò)程中，保持設(shè)定壓力不變，直至主軸組件冷卻至室溫。

圖3 液壓連桿機(jī)構(gòu)

將主軸承加熱到120℃[10]，套入主軸，并在30 s內(nèi)，施加軸向壓力F，將改變接觸收縮冷卻階段的冷卻過(guò)程，即推后主軸承自重加軸向壓力F等于主軸承與主軸之間產(chǎn)生摩擦力的時(shí)刻?？赏ㄟ^(guò)液壓連桿機(jī)構(gòu)施加的軸向壓力F，能克服主軸與主軸承過(guò)盈量為：

隨著 Δ 的增大，則 ΔT=（δ-V）/Lr將變小，因而達(dá)到控制軸向間隙S的目的。

4 效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論推導(dǎo)及液壓連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性，根據(jù)設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)出液壓連桿機(jī)構(gòu)等，工作方式如圖4所示。

圖4 液壓連桿機(jī)構(gòu)壓緊工作狀態(tài)

選取5組主軸組件作為測(cè)試對(duì)象，該五組主軸組件的主軸承與主軸配合尺寸公差均滿足設(shè)計(jì)尺寸公差要求，裝配前分別測(cè)量主軸承內(nèi)徑實(shí)際尺寸d與主軸外徑實(shí)際尺寸D，根據(jù)實(shí)際尺寸d、D計(jì)算主軸與主軸承兩者實(shí)際過(guò)盈量，依據(jù)實(shí)際過(guò)盈量及推導(dǎo)公式計(jì)算主軸承在自然環(huán)境下冷卻所產(chǎn)生的理論軸向間隙。按本課題研究方法在主軸承冷卻過(guò)程中施加軸向壓力F，待主軸承與主軸冷卻至室溫，卸載軸向壓力F后，運(yùn)用塞尺測(cè)量實(shí)測(cè)軸向間隙并記錄，將該5組主軸承組件理論軸向間隙與實(shí)測(cè)軸向間隙做對(duì)比，理論軸向間隙與實(shí)測(cè)軸向間隙范圍及平均值如表1所示。

表1 理論與實(shí)測(cè)軸向間隙對(duì)比

對(duì)比理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，兩者基本一致，表明主軸承與前擋圈之間的軸向間隙，可通過(guò)本課題推導(dǎo)的理論方法計(jì)算，并運(yùn)用液壓連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組主軸組件裝配軸向間隙及軸向游隙的精確控制。

5 總結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組主軸組件裝配方法的理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可有效控制主軸組件中最核心部件軸向間隙，并有效達(dá)到控制主軸承的軸向游隙，為大型風(fēng)電機(jī)組主軸組件的安裝提供理論依據(jù)，同時(shí)結(jié)合本理論研究設(shè)計(jì)的液壓連桿機(jī)構(gòu)，可有效準(zhǔn)確控制主軸承軸向間隙、主軸承軸向游隙，達(dá)到提升主軸組件的整體剛度，從而解決主軸組件安裝工藝不完善帶來(lái)的主軸組件運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。