摘 要：介紹了目前大型風力發電機組主軸軸承所承受的載荷工況，分析了主軸軸承的偏載情況、潤滑和游隙對承載能力和壽命的影響，以及主軸軸承的振動對自身壽命的影響，提出了設計中需要注意的重點、改進意見和建議。
關鍵詞：主軸軸承；偏載；潤滑；游隙；軸承振動
風力發電機組功率的不斷增大帶來風電機組體積和載荷的增加，這對風電機組的可靠性和安全性提出了更高的要求。風電機組主軸軸承是吸收風力作用載荷和傳遞載荷的主要部件，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。本文對大型風電機組主軸軸承承載的相關問題進行分析研究。
1 風電機組主軸軸承載荷情況
目前，風電機組的傳動鏈設計理念在于由主軸軸承盡可能地吸收來自作用于風電機組上的大部分載荷，包括徑向力、軸向力和彎矩等。通過主軸軸承吸收大部分對后續齒輪箱和發電機不利的載荷后，只將有利的轉矩傳遞給風電機組的高速端。因此，對主軸軸承的使用壽命提出了較高的要求。主軸軸承傳動鏈的布置方式主要有單點支撐、雙點支撐等，采用的軸承形式不盡相同，但最終目的都是為了只將轉矩傳遞給齒輪箱或發電機等旋轉部件。軸承要承受徑向力、軸向力和彎距對其的作用，因此，針對不同的布置形式，在選型時就要考慮軸承的類型和將要承受何種形式的載荷。
圖1為風速時間序列圖。因為風速會隨著時間的改變而不斷變化，載荷也隨之發生變化，其對軸承的反復沖擊最終會導致軸承失效。由于風的不穩定性，有些風場具有極高的湍流效應，并且在極限風速下，風載荷對風電機組部件的破壞能力更強。因此，提高軸承的承載能力和使用壽命不僅會在一定程度上提高機組的穩定性，而且能夠明顯地降低維護成本。
2 主軸軸承承載能力分析
2.1 偏載情況分析
目前，主軸軸承主要有圓錐滾子軸承、調心滾子軸承、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2列或者3列滾子軸承排布。在設計滾子軸承時，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。對于傳統的傳動鏈來說，與主軸軸承連接的主軸往往比較長，且風輪的中心離主軸軸承較遠，會產生一定的附加彎矩，主軸雖為剛性相對較好的部件，但有可能會因載荷的作用而變形，這樣，與主軸相連接的軸承內圈和外圈不同軸，產生一定的傾角，從而導致軸承偏載。圖2為某工況下，2列調心圓柱滾子軸承的滾子應力分布圖。由圖2可知，2列圓柱滾子軸承的載荷基本呈對稱分布，說明該工況下軸承部件的接觸應力較均勻，且運行良好，在潤滑油充足的情況下，不會產生溫升。但在另一工況下（如圖3所示，1列受載滾子的接觸應力較小，另一列的接觸應力較大，在該工況下，單邊受載的情況嚴重，可能會導致軸承滾子其中1列滾動、另一列滑動的情況出現，潤滑油膜也會分布不均，軸承部件有可能會直接相互接觸，致使軸承加速發熱，油膜變稀，造成軸承部件的潤滑不良，加劇軸承磨損。
出現主軸軸承單列受載過大的原因主要是主軸的撓曲變形以及軸承和軸承座自身的彈性變形，而軸承采用長軸布置的方式特別不利于軸承承載均勻。因此，在盡可能的情況下，主傳動鏈采用短軸布置，縮短軸承和風輪中心的距離，并提高主軸的剛度，減少撓曲變形，這樣有利于減少附加在軸承上的彎矩，使軸承的承載盡量均勻，提高軸承的使用壽命。
2.2 潤滑以及軸承游隙分析
軸承潤滑、工作溫度和游隙對其承載能力的影響很大。適當的潤滑劑可以使軸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，同時要求潤滑油有一定的抗水稀釋性能。為了防止潤滑油膜被破壞，避免部件之間直接接觸，出現干摩擦狀態，軸承升溫膨脹，降低部件性能，可考慮采用集中潤滑的方式對軸承進行潤滑，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量減少，加劇滾子點蝕磨損；游隙過小，易導致軸承摩擦發熱，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，大部分滾子處于放松狀態，因此在設計選型時就應考慮軸承游隙對其壽命的影響。
2.3 軸承振動分析
風速和風向是不斷改變的，由于氣彈相應，風輪容易出現扭轉和揮舞等狀況傳動鏈也會出現扭轉和擺振現象。軸承系統（包括軸承座）作為傳動鏈的子系統，實際上為1個彈性阻尼動力學系統。風電機組在穩定的風況下，易出現有規律的扭轉振動和擺振，軸承也在一定程度上會出現振動。由于扭轉振動，滾子規律性地磨損保持架，而保持架被磨削的材料落入潤滑油中，會加速軸承磨損。要減少軸承振動，可從增大整個傳動鏈的阻尼入手，提高傳動系統的穩定性，在傳動鏈乃至軸承選型時要考慮機組傳動鏈和整機的固有頻率，避免傳動鏈的固有頻率和外界激勵頻率產生低頻共振。
3 結束語
從目前我國投入風場運營的風電機組來看，產生主軸軸承損壞的原因除材料和加工工藝外，還因為雙列主軸軸承長期在極限風速下單列偏載從而導致軸承滾道以及保持架損壞，潤滑不到位而引起軸承部件磨損，游隙設計不當引起軸承失效，以及振動使軸承加速磨損等。由于風力發電機組以及風機載荷的復雜性，如何進一步提高主軸軸承的承載能力還需要進一步研究。
參考文獻：
[1]宮靖遠.風電場工程技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2004.
[2]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2004.