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优化大功率风电机组传动链设计和可靠性的轴承解决方案

发布时间：2012-10-26 浏览次数：799

作者：刘溯
（铁姆肯公司）

　　大功率风电机组设计的趋势探讨
　　目前常见的风电机组设计大致可以划分为四类：传统型高速电机、直驱型低速电机、半直驱型中速电机和多发电机型(见图1)。不论是哪种风电机组设计类型，更高的可靠性、更低的原材料消耗和更轻的前头质量等因素一直是优化风电机组设计的重点。衡量先进机组设计的指标之一的“发电量/前头质量(千瓦/千克)”更是大功率风电机组设计持续优化的驱动因素，有助实现以更轻的风电机组进行更高效的发电。

图1 风电机组设计类型

　　目前，关于大功率风电机组设计趋势的观点有很多，具中一种观点认为：小到中等功率的风电机组可采用带高速电机的传统型设计，而中等到偏大型功率风电机组可采用直驱型设计，而更大型的风电机组适合使用半直驱的设计，这几种风电机组设计所适合的功率范围并没有严格的界定。但无论是哪一种设计，轴承始终是传动链中的重要零件，它的优化会对传动链起到提升的作用。
　　主轴轴承解决方案
　　由于主轴轴承时刻承受着外部变化的力、弯矩和冲击载荷，这对轴承的设计、选型和安装提出了很高的要求。在现有的各种设计中可以看小，功率较小的风电机组，例如小于1MW或是1.5MW，其主轴采用调心滚子轴承较多，而中等到大功率风电机组越来越多的采用圆锥滚子轴承作为主轴轴承。如果主轴轴承选用调心滚子轴承，不论是单个调心滚子主轴轴承的3点支承设计还是两个调心滚子主轴轴承的4点支承设计，由于调心滚子轴承的设计原理所致，在承受较大轴向力时可能会出现单列受载的情况，并且由于径向和轴向游隙的存在(如图2所示)，当风电机组在刹车或是出现其他轴向载荷交替变换方向的工况时，主轴及其后面连接的行星架在轴向可能会有窜动，对行星架支承轴承会造成冲击，而且由于内齿圈和齿轮箱箱体是连成一体的，所以行星轮和行星架一起轴向窜动，会造成行星轮齿而磨损。

图2 主轴轴承—调心滚子轴承及游隙

　　铁姆肯公司推荐的主轴解决方案包括：单列圆锥滚子轴承跨装、单个双外圈超大圆锥滚子轴承、双内圈圆锥滚子轴承加圆柱滚子轴承组合(如图3所示)。这3种解决方案都可以通过圆锥滚子轴承预紧来解决单列受力的问题，消除主轴轴向和径向窜动的影响，优化预紧的圆锥滚子轴承的承载区，减少滚道应力，Z终提高系统的刚性。其中，双内阁圆锥滚子轴承加圆柱滚子轴承组合方案结合了圆锥滚子轴承上佳的复合承载能力和圆柱滚子轴承出众的径向承载能力；单个双外圈超大圆锥滚子轴承方案通过较大锥角的设计来优化复合承载能力和有效支承跨距，提升抵抗倾覆力矩的能力，并且可以使整机的结构设计更紧凑；而单列圆锥滚子轴承跨装方案减小厂轴承的尺寸，降低了成本。这3种解决方案均已在大功率风电机组主轴上得以应用。

图3 铁姆肯公司主轴轴承解决方案

　　齿轮箱解决方案
　　大功率风电机组的主齿轮箱优化设计要求使用多行星分流，Timken集成式柔性销行星轮组件(如图4所示)是提高行星级可靠性的Z佳方案之一。齿轮和轴承外圈集成于一体的设计，杜绝了外圈跑圈的可能性，同时提供了更多的内部空间，设计更多、更大的滚子提高承载能力。通过预紧两列圆锥滚子，不仅能优化其承载区，降低应力和滚子打滑的几率，更能使载荷更均匀地分布在两列。柔性销设计允许行星轮组件产生柔性的偏移，保证齿面拥有高度的啮合率，接触均匀。而多个行星轮的设计，更能使各行星轮之间的载荷均匀分布，降低加工和装配的精度要求，这一点对大型的齿轮箱尤其重要。因此，以Timken集成式柔性销行星轮组件为基本模块的柔性传动系统能显著提高传动能力，降低尺寸和重量。如果对比Timken闭合行星架柔性行星轮系和传统的行星轮系，在相同尺寸的情况下，Timken闭合行星架柔性行星轮系能多传递50％的扭矩。在相同的扭矩传递能力的情况下，Timken闭合行星架柔性行星轮系的尺寸降低20％，重量减少40％。

图4 Timken集成式柔性销组件

　　在传统的平行级设计中，中间轴可能会采用调心滚子轴承和圆柱滚子轴承组合，圆柱滚子轴承及四点接触球轴承组合在高速轴的应用中较为常见。调心滚子轴承在轴向力偏大的时候会小现单列受载的情况，滚道和滚子会因此受损。在高速和低载的情况下，圆柱滚子轴承容易出现滚子打滑和滚道滑伤，而球轴承可能会出现滑伤和微剥落的损伤。铁姆肯公司推荐使用圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承组合作为中间轴，推荐带抗磨涂层的圆柱滚子轴承和单列圆锥滚子定位轴承(如图5所示)作为高速轴。带抗磨涂层的圆柱滚子轴承在整个寿命周期的运行中既能持续地防止滑伤，也可以防止由于润滑剂里含杂质而造成的滚道伤害以及润滑不良的情况。单列圆锥滚子定位轴承可以承受径向及双向的轴向载荷，其纯滚动的特性可将滑伤的可能性降至Z低。

图5 高速轴解决方案

　　总之，风电机组的应用工况的复杂多变性、维修更换的难度及高成本等对风电机组的系统可靠性提出了很高的要求。而随着陆上风电的深化及海上风电的发展，大功率风电机组的开发和应用成为业界的重点之一，对其可靠性的要求是有增无减，再加上对大功率风电机组的“发电量/前头质量”指标的优化要求，传动链的优化设计无疑是至关重要。选用适合应用要求的主轴解决方案，通过预负载的圆锥滚子主轴轴承来提高系统刚性，减少主轴的窜动，不仅可以提高主轴系统的可靠性，还能减小其尺寸和重量，降低成本。对于齿轮箱的设计，可以使用柔性销和带抗磨涂层的圆柱滚子轴承及单列圆锥滚子定位轴承，不仅能降低齿轮箱的尺寸和重量，减低齿轮和轴承出现损伤的可能性，增加“功率密度”，而且还能使行星级的加工和装配更容易。这样通过对整个传动链的设计优化，从而使得大功率风电机组能高效的、可靠的工作。