风电齿轮箱轴承应用分析探讨

作者：陆建国
（铁姆肯公司应用工程师）

　　风电齿轮箱是整个风机中非常重要的部件，由于常年受到变载荷及强阵风的冲击，因此在设计、制造、维护上有别于普通齿轮箱。而且随着风机设计功率的不断提升，风电齿轮箱在满足传递载荷的前提下，体积必须要尽可能小，重量必须要尽可能轻，使用寿命却依然要达到20年以上。而国内外的应用实践表明，在风电齿轮箱的所有零部件里，轴承是Z薄弱的环节之一。因此，对轴承进行必要的应用分析是保证齿轮箱可靠性的重要手段。本文将以Z常见的风电齿轮箱设计形式为例，具体介绍如何通过对轴承的应用分析，来帮助提高风电齿轮箱的可靠性，达到减少停机时间，提高风电齿轮箱可靠性的目的。
　　一、风电齿轮箱轴承润滑分析
　　众所周知，风电齿轮箱输入轴的转速一般在10－20 转/分钟,由于转速比较低，导致输入轴轴承也就是行星架支撑轴承的油膜形成往往比较难。油膜的作用是在轴承运转时分开两个金属接触面，避免金属与金属直接发生接触。我们可以引入一个参数λ来表征轴承的润滑效果(λ定义为油膜厚度与两接触表面粗糙度之和的比值)。如果λ大于1，说明油膜的厚度足够分开两个金属表面，润滑效果良好；而如果λ小于1，则说明油膜的厚度不足以完全分开两个金属表面，润滑效果不理想。在润滑不良的情况下运转，轴承有可能会发生如图一所示的损伤。由于风电齿轮箱一般都采用ISOVG320粘度的循环润滑油，因此如果发现λ小于1，我们一般只能通过降低轴承滚道及滚子的粗糙度来改善润滑效果。另外，在齿轮箱设计时，行星架支撑轴承要尽量避免一端轴承的尺寸太小，在实际的应用分析中我们发现即使寿命满足条件，这种设计也会导致小轴承的线速度非常低，油膜更加无法形成。

　　［图一］在润滑不良的情况下运转，轴承有可能会发生损伤

　　二、风电齿轮箱轴承承载区分析
　　在运转轴承的滚子中一般只有一部分同时承受载荷，而这部分滚子所在的区域我们称之为轴承的承载区。轴承承受的载荷大小，运行游隙的大小都会对承载区产生影响。如果承载区范围太小，滚子在实际的运转中则容易发生打滑现象。对于风电齿轮箱而言，如果主轴的设计采用双轴承支撑的方案，那么理论上只有扭矩传递到齿轮箱。在这种情况下，经过简单的受力分析，我们不难发现行星架支撑轴承承受的载荷是比较小的，因此轴承的承载区往往也比较小，滚子容易发生打滑。目前，在风电齿轮箱设计中行星架支撑轴承一般采用两个单列圆锥轴承或者两个满滚子圆柱轴承的方案。我们可以通过适当预紧圆锥滚子轴承或者减小圆柱滚子轴承游隙的方法来提高承载区。图二给出的是减少游隙前后承载区的比较。

　　［图二］游隙减少前后承载区的比较

　　另外，对承载区的分析可以帮助我们了解双列轴承是否存在仅有一列承载的问题。目前很多风电齿轮箱制造商在高速轴上采用圆锥滚子轴承加圆柱滚子轴承的方案，这种方案解决了传统球轴承加圆柱滚子轴承方案中球轴承容易出现点蚀和剥落的问题，但是这种方案必须要注意一个问题，那就是要避免双列圆锥滚子轴承发生单列承载的现象。双列圆锥滚子轴承单列承载危害很大：一方面使得轴承的实际承载能力大大降低，从而导致疲劳寿命急剧减小，另一方面使得不受力的一列滚子容易处于打滑状态。而通过对承载区的分析，我们可以了解所选择的双列圆锥滚子轴承是否存在单列承载的问题，并且可以采取针对性的措施。风电齿轮箱高速轴的转速一般为1100-2000 转/分钟，由于转速比较高，轴承所选择的游隙值相对其他位置轴承一般要大一些，但是游隙比较大也容易造成单列承载的情况。如果发现单列承载的现象确实存在，那么可以考虑采用不同锥角的圆锥轴承配对使用，如图三所示，用大锥角轴承承受轴向力，而小锥角轴承则可以很好地避免不受轴向力一列脱开而导致单列承载。总而言之，对轴承承载区的分析可以帮助我们更好地了解轴承的运行状态，以便优化轴承的选型以及完善齿轮箱的设计。

　　［图三］不同锥角圆锥轴承配对使用，可以有效防止单列承载现象的发生

　　三、风电齿轮箱轴承应力分析
　　风电齿轮箱区别于普通齿轮箱的一个Z大特点，就在于所承受载荷的无规律性。以国内目前流行的1.5MW 齿轮箱为例，一般名义功率值为1660KW，但其载荷谱内Z大功率值一般可以达到5000KW左右，大约是名义功率值的3倍。其反转Z大功率值一般可以达到名义功率值的2倍左右，他们也常常被用来进行安全静载系数的校核。在功率值远大于名义功率值的情况下，轴承出现应力集中的概率会大大增加，这一现象在低速中间轴尤为突出，原因在于低速中间轴一般采用空心轴，刚度相对较差，容易出现偏心的情况，而偏心则可以加剧应力集中现象的发生。如图四，是低速中间轴轴承在3倍名义功率值时受力Z大的滚子应力分布情况，我们可以看到应力集中的现象比较严重，为了避免这种应力集中的发生，Timken®轴承可以采用滚子特殊修型解决这一问题，如图五，是同一轴承在同一工况下采用特殊滚子修型后的应力分布情况。

　　［图四］低速中间轴轴承在3倍名义功率值时受力Z大的滚子应力分布情况

　　［图五］同一轴承在同一工况下采用特殊滚子修型后的应力分布情况

　　以上主要针对风电齿轮箱的应用特点，分别从润滑、轴承承载区、应力集中等几方面介绍了风电齿轮箱轴承选择和分析必须要注意的几个要点，希望可以以此来避免上述提到的一些问题，从而提高风电齿轮箱的可靠性，降低风机停机时间。