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跟踪法在风电主轴轴承测量中的应用

发布时间：2011-12-02 浏览次数：252

作者：陆雪忠　高解农　夏俊斌
（上海联合滚动轴承有限公司）

　　摘　要：风力发电作为可再生清洁能源的重要组成部分，正越来越受到广泛的重视。近年来，我国风电整机产能得到了快速提升，但关键零部件技术仍处于起步阶段。其中，作为关键转动部件的风电主轴轴承的制造和精密测量技术，不但在国内仍处于空白，在上也鲜有成熟的技术应用案例。一般滚动轴承的精密测量，采用旋转工件的方法进行。但由于风电主轴轴承外径尺寸达1000MM左右，转动工件很容易影响整体测量精度。本文针对风电主轴轴承的性能特点和设计要求，应用跟踪法对风电主轴轴承进行全位置测量。结果证明，本文采用的跟踪测量法和装置能够有效地测量主轴轴承的相关尺寸，具有较强的创新和使用性，并填补了国内空白，在上处于相对领先地位。
　　关键词：跟踪法；主轴轴承；测量
　　1、风电产业发展概况
　　随着人类社会与经济的不断发展，环境问题越来越被关注。2009年哥本哈根全球气候大会上，中国政府向全世界郑重承诺：到2020年，单位GDP碳排放量在2005年基础上降低45%左右。
　　为了达到降低排放的目标，我国正依靠政府和社会全部力量，大力发展包括风力发电在内的清洁可再生能源。在这样的背景下，我国风力发电产业得到了爆发式增长。根据权威部门统计，2009年我国（不含台湾省）新增风电装机10129台，容量1380万千瓦，年同比增长124%，为世界；累计风电装机21581台，容量2581万千瓦，年同比增长114%，为世界第二。根据国家发改委《新能源产业发展规划》草案，到2020年，我国风电装机容量将达到1.5亿千瓦。
　　在整个风电产业链中，风电场的开发利用主要由国电、华能等五大电力巨头掌控，而风机的制造以华锐、金风、东汽和上海电气等为主，整机技术大多从欧洲引进，国内厂家并不掌握核心技术。在风机关键零部件供应体系中，以发电机、逆变控制器、叶片、增速箱和轴承等Z为关键。前几年，这些关键零部件技术和供应均被国外公司所掌控。其高昂的价格和相当长的交货期曾严重影响了我国风电产业的发展。近年来，在我国各级政府和众多风电相关企业的共同努力下，情况有了较为明显的改观。
　　2、大型轴承测量技术回顾
　　现今的大型轴承测量技术，一般采用以下几种测量方法：
　　1）卡尺和高度仪：这种测量方法是一般轴承企业在检测中使用Z多的测量工具，经济实用，适合在车间很快速地进行检测。不过使用这种方法只能对有限的参数进行测量，比如椭圆度、平行度等，而其他如同心度和垂直度等相关数据就无法测量。
　　2）测量表盘：使用测量表盘能够测出椭圆度、棱圆度、壁厚差等数据，检测过程中根据不同的检测需要，调整各个支点的分布和加装千分表就可以检测各种参数。不过在使用过程中，由于主要是采用人员手动旋转，没有辅助旋转的部件，在轴承太大太重的情况下就无法操作导致无法测量，有一定的局限性。
　　3）三坐标测量仪：是比较先进的检测设备，进行检测测得的数据相对其他几种方法，具有更加准确和全面的特点，非常适合于对轴承的加工参数进行分析时使用。其缺陷是所需要的工作环境非常严格，需要长期处于恒温状态，且检测环境内的浮尘浓度也有所限制。因此，无法在加工现场时间进行检测。三坐标测量仪检测范围也不适用于多个规格产品的检测需求。加上其检测的过程需要花费较多时间，因此只能是少量抽查使用，无法适应大规模生产需求。
　　3、跟踪法在风电主轴轴承测量中的运用
　　一般滚动轴承的精密测量，采用旋转工件的方式进行。但由于风电主轴轴承外径尺寸达1000mm左右，旋转工件很容易影响整体测量精度。所以旋转的时候需要使用回转台。不过由于回转台有其自己的回转精度，在检测时会导致测量精度受到回转精度影响，特别在检测精度要求非常高的情况下，这些精度的影响会直接导致检测出现偏差。
　　本文针对风电主轴轴承的性能特点和设计要求，应用跟踪法对风电主轴轴承进行全面测量。即在测量时，给置于轴承上的表盘施加一定方向上相对固定的加载力，使得表盘在轴承的回转运动下能紧贴轴承表面，并随着转盘和轴承做同向运动。因为有着这个力的作用，转盘和轴承之间保持一定的相对移动，因此抵消了回转台的回转精度对于测量的影响，从而降低了对与外径、内径有着很大关系的椭圆度、棱圆度、垂直度以及壁厚差等测量参数的影响。
　　4、测量工作台设计和制造
　　先期设计过程中，我们通过对所测量轴承产品图进行分析，对其中的参数加以归类整理，罗列出需要检测的项目。然后对各种项目在常规轴承的检测方法和仪器的结构进行了解。在初步了解了所需检测项目的测量方式后，对整个设备的结构进行初步了的设计。
　　由于是风电主轴轴承属于特大型轴承范围，待测工件的重量与检测半径都非常大，一些常规轴承的检测方法显然不能直接使用。并且，常规轴承的测量基本上都是在工件旋转的条件下进行，但是回转盘的旋转跳动值会直接给特大型轴承检测带来精度上的影响。虽然一般的表盘结构是直接连接在测量底板上的，但基于上述原因，我们采用了测量盘置于轴承上的结构，采用与底板分离的方式检测。使用这个方式，检测的精度就不会被转盘的回转精度所影响。
　　我们采用跟踪法测量，在设计结构中加入了一些特殊的部件和功能，使得在表盘没有固定位置的情况下，依旧可以与零件保持良好的相对运动，使得检测的精度更为准确。在初步结构绘制完成后，对照国家的轴承项目检测标准进行对比，确认了结构的理论可行性。
　　在随后的具体设计过程中，我们对原设计构思进行了细化。对于转盘，我们采用了可以大小伸缩的结构设计，使得测量台上能够放置两种大小的轴承圈。对于底盘，我们采用电机带动的蜗轮蜗杆结构，前端采用轴承座来固定，通过连接电机的开关可以调整升降来达到所需要的台面角度，不同的角度就对应不同测量所需要的条件。这样，在检测不同项目的时候可以很方便得进行进行调整。台面上有两个使用了轴承的支撑柱，可以限制在台面倾斜时轴承的位置。
　　另外，两根支柱设计时与表盘紧靠，限制了表盘的转动。整个测量尺部分采用模块设计，方便不同的测量项目时使用不同的测量部件。连接各个模块的板通过加工制成所需要的造型，并切割出凹槽可以使其他部件安装在凹槽中，从而能够在检测使用的过程中有较好的抗变形能力，减少测量误差。各个连接部分使用螺钉紧固，可以进行微量调整。支柱上有弹簧结构，测量尺上也同样设计了弹簧结构，这两个结构构成了跟踪法的关键。在整套设备安装完毕后，这两个弹簧结构在想对的两个方面给予测量尺一定的力，使得测量尺在自身支点的作用下始终与轴承成相同的运动状态，这样就能在理论上保证测量数据的准确性。
　　图纸完成后的具体制造过程中，考虑到整体设备的重量会非常大，我们采用了ANSYS进行建模并对所有零件进行强度了校合，在不影响单件承载能力的情况下对部分零件采用了减轻重量的措施，使得整个测量台总体重量有所下降。同时，在加工中重新优化了部分零件的造型及配合尺寸。
　　在初步完成装配后，对于原有的结构进行了重新审查。通过在现有的结构基础上进行部分改进，增加一定的功能模块，使得测量台能够进行部分微量的自行调整，如检测高度等；一些本来不能进行检测的项目如滚道垂直等项目也可以检测。并且在升降的蜗轮蜗杆传动机构上加装了限位开关，使得测量台整体安全性得到较大的改善。
　　5、测量数据分析
　　在测量台制造完毕以后，经过对同一工件进行重复装卸测量之后，得到如下检测数据。

　　我们从数据中很明显地看出：整台设备所检测项目的重复精度在允许的误差范围0.02mm之内。部分实测值有超出产品规定的要求范围，经过证实是加工自身的误差所导致。因此通过这次检测我们可以得出结论，该设备是符合风电主轴轴承检测要求的。
　　6、结语
　　通过对检测理论的论证，以及对实物测量所得到的数据进行分析，结果表明：本文采用的跟踪测量法和装置能够有效得测量主轴轴承的相关尺寸，具有较强的创新和实用性，并填补了国内的空白，在上处于相对领先地位。
　　参考文献
　　[1]李飞雪.Z新滚动轴承标准应用手册.洛阳轴承研究所,2004.
　　[2]王红军.滚动轴承测量技术.北京：机械工业出版社,2008.
　　[3]孙怀全,王运滨.轴承专用仪器调整与使用的误差分析[J].哈尔滨轴承,2007.