淺析轉盤軸承在風電領域的應用

        近幾年，轉盤軸承作為一種回轉支撐結構出現在越來越多的大型機械設備中，如大型的回轉機床、海上鉆井平臺、港機、汽車吊、雷達、坦克、風力發電機組等等。也成為大型機械設備重要的連接環節，尤其在風力發電機組中，是變槳和偏航系統的必要組成部分。
        風力發電機組通常運行在野外、戈壁、山頭等惡劣的環境里，因此安裝費用昂貴，過程繁瑣，而且對風力發電機組要求也有較高的穩定運行能力。而轉盤軸承的使用情況直接影響到整機的運行平穩性，而且在設計、選用、制造、安裝和維護過程中，都要根據具體使用情況嚴格按照相關標準執行，努力做到設計合理化、運行穩定化、壽命最大化。
        本文針對轉盤軸承在風電領域的應用及其注意事項加以淺析，希望能為風力發電機組的設計、安裝及維護人員提供一定參考。轉盤軸承的種類很多，應用在風力發電機組中主要有單排四點接觸球式和雙排四點接觸球式兩種。其中單排四點接觸球式轉盤軸承結構緊湊、重量輕、鋼球與圓弧滾道四點接觸，能同時承受軸向力、徑向力和傾翻力矩,成本低、綜合性能較高，通常用于風電偏航軸承如圖1。
        雙排四點接觸球式轉盤軸承使用壽命長，承載能力強，允許磨損量大，對安裝基座要求不高，常被用于風電變槳軸承，在大MW風力發電機組中有時也被選用偏航軸承如圖2。此外還有雙排異徑球式、單排交叉滾柱式、三排滾柱式等形式，交叉滾子式轉盤軸承，雖然精度高、壽命較長，動載荷容量較高，但對基座剛性和精度有要求較高，且滾子與滾道在接觸時很容易發生邊緣效應，考慮到風力發電機組受外載荷較復雜，安全系數要求較高以及成本等因素，都很少在風機上使用。
        1 轉盤軸承主要組成部分
        1.1 套圈轉盤軸承有內套圈和外套圈，套圈的材料一般優先選用42CrMo、5CrMnMo、50Mn 分別對應的標準為GB / T 3077、GB / T 1299、GB / T 699，也可以選用具有同等性能的材料加工制造，但性能都不能低于以上幾種材料。調質狀態硬度為210~260 HB，正火狀態硬度為180~240 HB，風力發電機組上硬度要求會更高一些，對于常溫型風力發電機組做-20 ℃沖擊功要求不小于27 J，對低溫型風力發電機組需要做-40 ℃沖擊功試驗。內外套圈之間有一圈滾道，滾道是整個轉盤軸承最薄弱的環節，滾道需淬火處理達到相應的硬度和深度來抗擊磨損及防止滾道剝落，其淬硬層深度及硬度可按照標準JB / T 2300中的規定。
        1.2 滾動體轉盤軸承的滾動體位于內、外套圈之間，實現內外圈相對旋轉，主要承受風載荷產生的傾覆力矩的作用。滾動體的材料通常選用GCr15及GCr15SiMn，硬度值見表1，同時應滿足標準GB / T 308或GB / T 18254。
        1.3 齒輪
        轉盤軸承與其他軸承最大的區別就是帶有傳動齒輪，當轉盤軸承與驅動齒輪為外嚙合時，齒輪加工在外套圈上，當驅動齒輪與轉盤軸承為內嚙合時，齒輪被加工在內套圈上。齒輪為標準直齒漸開線圓柱齒輪，通常有變位系數，齒輪模數應符合GB / T 1357,齒輪精度按GB / T 10095中規定執行，需淬火的齒輪根據實際需要分為齒面淬火、齒根淬火和全齒淬火，淬火部位的表面硬度一般為50~60 HRC，有效層深度DS（硬度≥40 HRC表層深度）如表2。
        1.4 密封圈密封圈材料用SNT7453 型丁腈橡膠，同時滿足HG / T 2811的規定。雖然丁腈橡膠是最常用的耐油材料，質優價廉，并有良好的耐油、耐熱和耐磨性能而被廣泛用于生活中很多領域，但其不適用于磷酸酯系液壓油及添加劑的齒輪油中,也不適用于酮類、臭氧、和氯仿等環境中，因此在使用材料為丁腈橡膠密封圈時必須考慮其密封的油脂及工作環境。
        2 轉盤軸承工作原理及?，F機械故障
        大型風力發電機組主要有主傳動系統、電動變槳系統和偏航系統，其中變槳系統和偏航系統工作原理都是通過轉盤軸承實現的，在整機發電過程中，需要變槳和偏航時，主控系統根據風速風向儀反饋信號啟動三合一，通過主動小齒輪驅動轉盤軸承動作，來改變葉片的槳距角和迎風角度，保證整機的最大捕風量。
        從以往經驗來看，風機運行過程中轉盤軸承容易出現的問題主要有以下幾個方面：安裝維護、齒圈的配合間隙、潤滑和密封、齒圈與驅動齒輪嚙合處、防腐等，因此針對上述問題提出以下幾點注意事項。
        3 風力發電機組轉盤軸承注意事項
        風力發電機組由于生存環境惡劣，受力復雜，因此在以上規定的基礎上可以提高相關數值以滿足實際要求。如內外圈滾道，作為最薄弱環節的滾道，轉盤軸承在使用中的損壞98%來自滾道的損壞，因此為保證轉盤軸承使用壽命滿足20年要求，對滾道淬硬層深度及表面硬度應提出更嚴格的要求。
        在設計、安裝、維護階段應注意以下事項：
        1）風力發電機組在運行過程中所受到的氣動力是變化的，風速不僅大小變化而且方向也會變化，從而產生陀螺力矩，它作用在葉片上是一種變化慣性載荷，這個載荷對轉動的葉片是變化的，也是激振源。這個振源使葉片產生振動，葉片是用螺栓固定在變槳軸承的內圈上，葉片的振動使固定螺栓產生松動，葉片的受力不再均勻，產生微動磨損，因此，在設計過程中，為防止因固定轉盤軸承螺栓松動引起軸承位移而產生磨損，在保證螺栓的疲勞壽命情況下，盡量取較大的擰緊力矩值（風力機械標準匯編手冊中已給出參考力矩值，可以作為參考）。但是必須根據實際情況制定實際可行的檢修規定，如安裝并首次投入工作的回轉支承在連續運轉100 h后，應全面檢查安裝螺栓的預緊力是否符合要求，以后每連續運轉500 h重復上述檢查，當螺栓的松動角度超過30 °，要對此螺栓加以留意或更換，杜絕因螺栓松動，加劇轉盤軸承的磨損。
        2）裝配時游隙的控制也將對軸承的受力和壽命產生嚴重影響。轉盤軸承內外套圈之間的游隙，直接影響到轉盤軸承的載荷分布、回轉靈敏性、回轉精度、振動特性等，為此JB / T 2300—1999、JG / T 66—1999、JB 10705[3,4]等標準都對轉盤軸承游隙作了明確要求，風電中的偏航軸承和變槳軸承通常要求零游隙或是稍微負游隙來提高軸承的承載能力，降低疲勞度。轉盤軸承齒輪與變槳減速機或偏航減速機的齒輪嚙合間隙，齒側間隙的最小值一般要求為（0.03～0.04）×模數，在最終緊固轉盤軸承之后，對整個圓周上的小齒輪的齒輪嚙合間隙要進行重新檢查確保間隙適中，提高傳動精度、降低沖擊載荷。
        3）潤滑和密封也是要考慮的因素，風力發電機組上用的轉盤軸承都是低速重載的工況，潤滑不好容易在金屬表面發生分子熔接、滾道留下凹坑加速軸承磨損，所以必須保證有良好的潤滑，在齒面之間、滾動體與滾道之間形成保護性油膜，減輕接觸面間的微動磨損，減小回轉阻力矩，避免金屬與金屬直接接觸，同時要即時處理掉廢棄油脂，避免沙塵等硬質顆粒進入嚙合面，造成齒面磨損甚至斷齒，延長轉盤軸承的使用壽命。
        常用的潤滑脂的種類很多，在選取潤滑脂時主要考慮使用的環境和潤滑性能，如果涉及到低溫環境時，務必保證潤滑脂在最低溫度環境下能繼續工作；制定合理的潤滑系統操作規程，軸承注潤滑脂的量和周期以廠家提供的數據為參考，制定符合實際工況的潤滑方案；設備長時間停止運轉的前后，也必須對其加注潤滑脂，避免啟動瞬間的磨損；加注潤滑脂的時候要對確保潤滑脂的型號和清潔，絕對不允許不同型號的潤滑脂混用，更不能使任何雜質尤其是鐵屑參與潤滑，以免損傷潤滑部位。在有條件的情況下定期手動控制將葉片360 °旋轉，同時注潤滑脂保證滾道內每個滾動體都能充分潤滑。
        4）轉盤軸承密封在防止潤滑脂外流的同時也防止外界塵埃、水汽、雜質和腐蝕性氣體等進入，減少軸承的磨損。密封圈的壽命一般為5~7年，因此在設計時，必須考慮如何更換密封圈。維護人員必須按照維護說明書定期檢查密封圈的老化情況，特別是在溫差較大地區，橡膠密封唇更易早期老化而喪失密封性；同時還要做好機艙罩的密封，防止太陽光直接射在密封圈上，使密封圈過早的老化。一但發現密封圈錯位或斷裂，出現潤滑油外流時，應及時將其復位或更新，確保滾道和滾珠不受磨損。除此之外防止軸承過電流、發生電腐蝕，以及在安裝過程中注意淬火軟帶應與主載荷區成90 °，保證安裝精度等細節工作也不能忽視，在安裝及調試過程中要嚴格按照設計規范執行。
        4 結束語
        轉盤軸承在風力發電機組中扮演重要角色，一旦轉盤軸承需要維修或更換，就要花費幾十萬甚至上百萬元的起吊運輸費用，勞民傷財，因此在選用轉盤軸承過程中一定要充分論證、驗算，嚴格按照使用說明書，充分了解其工作原理及特性，重視對其的維護，保證其額定使用壽命。