風機主軸軸承及選配

1、主軸軸承及選配田超 軸承分類：軸承分類： 按軸承工作的摩擦性質(zhì)不同可分為滑動摩擦軸承（簡稱滑動軸承）和滾動摩擦軸承（簡稱滾動軸承）兩大類。 按載荷方向可分為：向心軸承，承受徑向載荷。推力軸承，承受軸向載荷。其中滾動軸承還有向心推力軸承，同時承受徑向載荷和軸向載荷。什么是軸承：軸承是在機械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的部件。 滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架等四部分組成。 通常內(nèi)圈裝配在軸上，并與軸一起旋轉(zhuǎn)，外圈與軸承座孔裝配在一起，起支撐作用。 保持架將滾動體等距離排列隔開，以避免滾動體直接接觸，減少發(fā)熱和磨損。滾動軸承 滾動體是滾動軸承的核心元件。 以上為4個基本元件， 其余附

2、加元件如止動環(huán)等 按滾動體的形狀可分為球軸承和滾子軸承 按滾動體的列數(shù)，可分為單列、雙列及多列滾動軸承例舉 摩擦阻力小，起動機運轉(zhuǎn)力矩小，啟動靈敏，功率損耗小且軸承單位寬度承載能力較大，潤滑、安裝及維修方便等。 與滑動軸承相比，滾動軸承的缺點是徑向輪廓尺寸打，接觸應力高，高速重載下軸承壽命較低且噪聲較大，抗沖擊能力較差滾動軸承的特點 滑動軸承是用來支承軸的一種重要部件。雖然滾動軸承有一系列優(yōu)點，在一般機器中獲得了廣泛的應用，但是在高速高速、高精度高精度、重載重載、結(jié)構(gòu)上要求剖分結(jié)構(gòu)上要求剖分等場合下，滑動軸承就顯示出它的優(yōu)異性能。因而在汽輪機、內(nèi)燃機、軋鋼機，及儀表、雷達、天文望遠鏡中多采用滑

3、動軸承。此外，在低速而帶有沖擊的機器中，如水泥攪拌機、滾筒清砂機、破碎機等也常采用滑動軸承。滑動軸承潤滑潤滑目的目的： 減少軸承內(nèi)部(套圈、滾動體及保持器)摩擦及摩損，防止燒粘,保證軸承正常工作,延長軸承的壽命； 可以用油轉(zhuǎn)移由摩擦發(fā)生的熱，冷卻； 防止異物侵入軸承內(nèi)部，或防止生銹、腐蝕。軸承的潤滑：分為油潤滑和脂潤滑 疲勞點蝕：滾動體接觸表面反復接受接觸應力的作用，出現(xiàn)疲勞裂紋并繼續(xù)發(fā)展，使金屬表層產(chǎn)生麻坑或片狀脫落；是滾動軸承的主要失效形式。 塑性變形：過大的靜載荷及沖擊載荷作用下滾動接觸表面產(chǎn)生永久性凹坑，不正確安裝、異物可導致接觸表面產(chǎn)生壓痕。增大了摩擦力矩、振動和噪聲，降低了運轉(zhuǎn)精度

4、。 磨損：雜質(zhì)侵入，導致磨粒磨損、線狀傷痕；或潤滑不良引起燒傷。 其他形式：電腐蝕、化學腐蝕軸承的失效形式風機中各結(jié)構(gòu)使用的軸承類型 根據(jù)風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)，一個兆瓦級以上的風力發(fā)電機組將需要4個精密級回轉(zhuǎn)支承與之配套，分別為一個偏航支承和三個變槳支承，還需要1個主機主軸軸承和1個增速箱主軸軸承。 目前，主軸軸承主要有圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、2-3 列圓柱滾子軸承等形式，為使軸承有更長的使用壽命和更強的承載能力，往往采用多列滾子軸承排布。風機主軸軸承簡介主軸與主軸軸承組裝完畢的軸承室 如今安裝的所有風力發(fā)電機中，75%80%均采用主軸軸承支撐原理，也就是主軸承的內(nèi)圈安裝在旋轉(zhuǎn)的主軸上。主軸

5、起支承輪轂及葉片，傳遞扭矩到增速器的作用，主軸軸承主要承受徑向力，其性能的好壞不僅對傳遞效率有影響，而且也決定了主傳動鏈的維護成本，所以要求具有良好的調(diào)心性能、抗振性能和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。 在主軸上，采取雙軸承的配置是比較常用的一種軸承配置形式，采用的軸承類型根據(jù)設計要求的不同而有所不同，但較為常見的軸承配置為調(diào)心滾子軸承或者圓錐滾子搭配圓柱滾子軸承的配置。大功率風力發(fā)電機多采用大錐角雙列圓錐滾子軸承或三列圓柱滾子軸承。主軸軸承支撐配置此種設計為固定端/浮動端軸承支撐的兩點支撐形式是最典型的。軸承被安裝在兩個獨立的或一個共同的軸承座內(nèi)，轉(zhuǎn)子端或齒輪箱端軸承都可以設計為固定端軸承。第一種形式提供了徑向

6、力和軸向力之間更為適合的比例，而且主軸的結(jié)構(gòu)會導致固定端軸承的解決方案直徑較大。采用第二種形式時，傳遞軸向載荷的軸肩的位置在主軸應力方面表現(xiàn)得更為有利，因為它避免了前軸承位置的臺階。只有轉(zhuǎn)矩進入齒輪箱，在一定程度上保護了齒輪箱，但價格較貴（多一個軸承和軸承座，主軸也較長）。采用三點支撐，一點是固定端軸承而另外兩點是齒輪箱內(nèi)的轉(zhuǎn)矩支撐軸承。在此，齒輪箱輸入軸軸承作為浮動端軸承。固定端軸承相對于齒輪箱輸入軸的浮動端軸承的同軸度以及軸的偏移量，是選擇軸承類型時的決定因素。固定端軸承采用單獨的軸承座，推薦使用自調(diào)心軸承（例如調(diào)心滾子軸承）。另外重要的一點是，要在安裝時確保固定端軸承位置和浮動端軸承位置

7、之間的正確的距離。軸向力一定要作用在固定端軸承上。采用三點支撐，作用在浮動端軸承上的力顯示了載荷對齒輪箱內(nèi)部的影響。主軸軸承是直接整合在齒輪箱內(nèi)的。這種設計的優(yōu)點之一是：由于固定端軸承和浮動端軸承使用同一個箱體，使得保持它們的同軸度更為容易，但要求高。同時這種雙列圓錐滾子軸承比較精密，價格很貴。其常見的損壞癥狀是保持架斷裂、滾子打橫、滾子調(diào)心角度過大。 單個軸承的解決方案在約3 MW級以上的風力發(fā)電機中出現(xiàn)的越來越多。整合概念的運行時間最長的3 MW 風電設備裝有位置非常接近齒輪箱的、承受所有來自轉(zhuǎn)子的載荷的主軸承。還有其他的35 MW 的設備也采用這種軸承配置。 當使用主軸軸承支撐結(jié)構(gòu)時，幾

8、乎所有的結(jié)構(gòu)都毫無例外地使用了調(diào)心滾子軸承。事實上，對于采用單獨軸承座的結(jié)構(gòu)，軸承位置處軸的角位移太大，所以采用調(diào)心滾子軸承是必須的。把傳統(tǒng)主軸軸承概念應用到多兆瓦級的風電設備中通常也是可行的，例如采用兩個調(diào)心滾子軸承。 風力發(fā)電機常年在野外工作，工況條件比較惡劣，溫度、濕度和軸承載荷變化很大，有沖擊載荷，因此要求軸承有良好的密封性能和潤滑性能、耐沖擊、長壽命和高可靠性。風力發(fā)電機的可靠性要求超過20年，而作為為其配套的軸承，也要求具有超過20年的使用壽命；風力發(fā)電機在2-3級風時就要啟動，軸承結(jié)構(gòu)需要進行特殊設計以保證低摩擦、高靈敏度。根據(jù)其同時承受軸向載荷、徑向載荷和沖擊載荷的受力特點，由

9、于涉及多學科，要特別注意制造軸承零件所用材料的優(yōu)選、材料質(zhì)量控制、工藝措施以及特大型軸承壽命等關鍵技術的研究和應用。風機主軸承制造關鍵技術 材料：材料： 材料的好壞是決定風電軸承的最重要因素，我國風電軸承與國外差距，材料是主要因素，其次為風電軸承設計、工藝水平和工藝裝備。盡管我們制定了JG/T107052007滾動軸承 風力發(fā)電機軸承和修訂了GB/T18254 2002高碳鉻軸承鋼標準，對其中碳化物、偏析、含氧量和夾雜物等要求有所提升，但受制于國內(nèi)鋼企冶煉技術和成本等因素，完全實施仍有很大難度。國產(chǎn)真空脫氣鋼質(zhì)量尚存在一定差距，含氧量控制方面雖有很大提高，但在碳化物均勻性、網(wǎng)狀碳化物控制、夾雜

10、物控制等方面仍有較大差距，這就造成國內(nèi)風電軸承質(zhì)量先天不足，風電軸承的壽命、可靠性及一致性遜色國外產(chǎn)品。 熱處理：熱處理： 國內(nèi)風電軸承生產(chǎn)企業(yè)的熱處理還停留在保護氣氛的少氧化加熱，采用99.8% 以上氮氣甲醇或只通入甲醇作為保護氣氛，爐內(nèi)碳勢不易控制，熱處理后零件有少量脫碳層，基本可滿足磨削要求。但在倒角、油溝等不磨削位置仍有殘留脫碳層，特別對滾動體的使用壽命還是有一定影響。目前國外先進風電軸承企業(yè)已全面推廣可控氣氛的無氧化加熱，采用高純氮氣丙烷，爐內(nèi)碳勢可控制，保證爐內(nèi)氣氛的碳勢與加工零件含碳量基本一致，確保加工風電軸承零件無氧化。目前先進軸承鋼中氧含量要求在4 10 -6 以下。 設計與

11、設計與分析：分析： 目前仍以經(jīng)驗類為主，受力分析與載荷譜的研究幾乎空白。其中的難點技術是針對主軸軸承的要求無故障運轉(zhuǎn)達13 104 h 以上，工作壽命20 年；并具有99% 以上的可靠度；針對齒輪箱軸承的高損壞率(齒輪箱故障中約80%左右是軸承失效所致)的高載荷容量設計等。 主軸主軸軸承的軸承的高精度高精度加工：加工： 其中最主要是所采用的調(diào)心滾子軸承，由于其結(jié)構(gòu)特點，導致在制造上難以實現(xiàn)高精度，通常的最高加工精度僅為P5，而現(xiàn)在的設計精度已要求達到P4。保持架的改進設計，保持架應具有更高的強度和耐磨損性。選配要素：載荷及壽命 滑動軸承：滑動軸承： 由于滑動軸承一般單獨承受徑向或軸向載荷，只需

12、滿足此載荷即可。但由于滾動體間需完全或不完全被油膜分開，對壓強、轉(zhuǎn)速、油粘度等還有復雜要求。 壽命需滿足風機既定要求。主軸軸承選配主軸軸承選配 風電機組制造企業(yè)在選擇風電軸承供貨廠家時，不僅要按常規(guī)考察供貨廠家的經(jīng)濟規(guī)模、管理水平、質(zhì)量保證能力和產(chǎn)品性價比，更要考察其在風電軸承生產(chǎn)中抗疲勞制造技術研究和應用的情況。不同廠家生產(chǎn)的同一型號的風電軸承，從外表上看幾乎一模一樣，但內(nèi)在質(zhì)量、壽命和可靠性有時卻相差甚遠。 滾動軸承選配除滿足載荷及壽命要求外，主要任務是將內(nèi)圈、外圈和滾動體進行尺寸分選，通過選配以保證裝配后具有滿足要求的徑向游隙或?qū)挾?。滾動軸承裝配過程中的一個主要工序是選配合套工序，首先要

13、將套圈滾道直徑尺寸選別分組，然后將各種組別的內(nèi)圈、外圈及滾動體按軸承要求的游隙或?qū)挾裙钆浜掀饋沓蔀椤耙惶住陛S承（屬于生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)工序）。 軸承潤滑、工作溫度和游隙對其承載能力的影響很大。適當?shù)臐櫥瑒┛梢允馆S承部件之間得到良好的潤滑，特別是在低溫條件下，要求潤滑油有良好的黏溫特性，能減小軸承啟動時的摩擦力矩，同時為了防止?jié)櫥湍け黄茐?，避免部件之間直接接觸，出現(xiàn)干摩擦狀態(tài)，軸承升溫膨脹，降低部件性能，可考慮采用集中潤滑對軸承進行潤滑，防止由于加油周期長而引起潤滑不到位，導致軸承損壞。 軸承游隙過大，易導致軸承在運行時承受外載的滾子數(shù)量減少，加劇滾子點蝕磨損；游隙過小，易導致軸承摩擦

14、發(fā)熱，溫度升高，破壞油膜，在很多極限工況下往往只有幾個滾子受載。因此在設計選型時就應考慮軸承游隙對其壽命的影響。在選配滾子軸承時，還應主要考慮軸承的游隙以及滾子的修形和潤滑油的選擇等因素。 隨著風力發(fā)電機的發(fā)展，大功率的風力發(fā)電機成為市場發(fā)展的趨勢，較高的功率密度也成為各主機制造商爭相追趕的目標。隨著風電機組單機容量的增大，一個主要的設計方向是降低機艙重量，也即降低每千瓦電力所需的原材料投入（kg/kW）。 很多研究以及目前主要制造商的設計趨勢表明，圓錐滾子軸承更能適應大型風電機組的運行。圓錐滾子軸承專為承受既有徑向力又有軸向力的復合載荷而設計，在風速和風向隨時發(fā)生變化的情況下，是掌控應力的理

15、想選擇。該類軸承功率密度高，能在最緊湊的布局中提供最佳性能，為風機長期穩(wěn)定的運行提供保障。無論用于齒輪箱還是主軸上，圓錐滾子軸承的設計都能在保證可靠運行的基礎上有效的控制軸承尺寸和主軸及齒輪箱等相關部件的尺寸，防止機艙重量增加過多，有助于風機設計的進一步升級。風電主軸軸承現(xiàn)在都是通用軸承，其中一部分要發(fā)展成為專用軸承，這是一種趨勢。 風電機組中偏航軸承和變槳軸承偏航軸承和變槳軸承的技術門檻相對較低，而主軸主軸軸承和增速器軸承軸承和增速器軸承的技術含量較高，發(fā)電機軸承發(fā)電機軸承基本上為成熟的通用產(chǎn)品。因此，目前國內(nèi)風電軸承企業(yè)的產(chǎn)能主要集中在偏航軸承和變槳軸承上，3 MW以下風電機組配套軸承均可批量生產(chǎn)，國產(chǎn)風電軸承逐漸形成了規(guī)模化、系列化生產(chǎn)，主要企業(yè)有瓦軸、洛軸、天馬、徐州羅特艾德以及大冶軸、軸研科技、方圓支承、上海聯(lián)合和西北軸等，國產(chǎn)替代率已達到80% 以上，年產(chǎn)能已達4.5 萬套以上，不僅滿足了國內(nèi)的需求，而且也成為國外一些風電設備廠家的采購渠道；但對于主軸軸承和增速器軸承，基本還是依靠進口，只有部分企業(yè)初步介入，尚處于研制階段。 國際上著名風電軸承公司主要有瑞典SKF、美國Timken 和日本NSK、NTN、德國Rothe Erde(羅特艾德)、 Schaeffer(舍弗勒)、FAG、法國Rollix(勞力氏)等，在全球市場占據(jù)統(tǒng)治地位