應用于風電齒輪箱高速軸與高速中間軸的定位軸承
2009-09-29 作者：Biswanath Nandi, Douglas Lucas 供稿：鐵姆肯公司
摘要：本文介紹了一種可供風電齒輪箱使用的新型軸承——定位軸承。這種軸承提供了一種解決方案，它可以解決現在風電齒輪箱高速輸出軸和中間軸的常用的軸承所遇到的性能、成本和效率等問題。定位軸承將單列圓錐滾子軸承（TRB）（正向扭矩狀態期間，這種軸承通過軸承滾道支承著主要的徑向和軸向力載荷）與精心設計的擋圈（它支承著反向扭矩狀態下的推力載荷，例如制動力和電動回轉力）結合一起。這種單列軸承可以代替的兩列圓錐滾子軸承、一個雙列圓錐滾子軸承、或一個四點接觸球軸承（FPCBB）和一個圓柱滾子軸承（CRB）相組合的軸承布置。定位軸承所占的軸向空間少，它改進了輸出軸效率，并提高了輸出軸系統的性能。
前言：有時，齒輪箱輸出軸在輸出軸和中間軸的固定端，布置有一個 NU 型 CRB 軸承和一個軸向定位的四點接觸的球軸承（見圖1）。CRB 軸承僅支承著徑向載荷，而 FPCBB 軸承則支承著系統中的全部軸向載荷。
前言：有時，齒輪箱輸出軸在輸出軸和中間軸的固定端，布置有一個 NU 型 CRB 軸承和一個軸向定位的四點接觸的球軸承（見圖1）。CRB 軸承僅支承著徑向載荷，而 FPCBB 軸承則支承著系統中的全部軸向載荷。
如以上圖 2 所示，顯示了另一種軸承布置在固定的位置，采用兩列（相似的或非相似的系列）TRB 軸承作為 FPCBB 和 CRB 的組合軸承的替代軸承。當你采用這一設計時，為了確保雙列軸承在全部的操作條件范圍期間有足夠的載荷區，應特別注意選擇合適的滾道傾角。
現有軸承的不足之處
以點接觸方式設計的 FPCBB 軸承主要用于支承徑向載荷，在某種程度上, 它適用于支承中等程度的推力載荷。但這種軸承設計用于支承恒定和波動的齒輪推力載荷卻并不理想，在風電正常操作期間，上述推力載荷是普遍存在的。在單純的軸向載荷下，球體在某一角度與滾道相接觸，并通過該接觸角的位置轉動，但在同時，還要圍繞著軸的中心線而轉動。球體的這一動作會在球體和滾道之間產生輕微的滑移，從而導致從表面開始的損壞現象，例如，出現如圖3所示的表面剝落。
現有軸承的不足之處
以點接觸方式設計的 FPCBB 軸承主要用于支承徑向載荷，在某種程度上, 它適用于支承中等程度的推力載荷。但這種軸承設計用于支承恒定和波動的齒輪推力載荷卻并不理想，在風電正常操作期間，上述推力載荷是普遍存在的。在單純的軸向載荷下，球體在某一角度與滾道相接觸，并通過該接觸角的位置轉動，但在同時，還要圍繞著軸的中心線而轉動。球體的這一動作會在球體和滾道之間產生輕微的滑移，從而導致從表面開始的損壞現象，例如，出現如圖3所示的表面剝落。
而且，球軸承的外圈與軸承座的裝配須是完全松配合，以防止任何徑向載荷傳入該軸承內。為此，該軸承還必須帶有諸如鍵槽一樣的特征以防止外圈的轉動，而定位軸承則不同，它只要求在軸承座凸肩與端蓋之間緊緊地夾住。
雖然，圖 2 所示的布置避免了球軸承設計的不足之處，但是，在雙列軸承 TRB 設計中，需要使兩列軸承同時保持有足夠大的載荷區和維持一定的牽引力。這在設計中需注意，并要在實踐中實現。
定位軸承設計
圖 4 表示了典型的定位軸承設計。在圖 5 中， 定位軸承應固定在軸的右端，支承來自齒輪的徑向載荷和推力載荷，而 NU 型 CRB 軸承在另一側作為浮動端軸承。定位軸承是一種高性能、雙向的軸承，它取代了圖1中的 CRB 軸承和 FPCBB 軸承組合。它也可是另一種解決方案，以替代某些設計中所采用的交叉定位的單列軸承布置或稱雙列 2TS-DMTRB 軸承布置。這種軸承在單列圓錐滾子軸承基礎上，在外圈處附加一擋環。
圖 6 說明了定位軸承是如何雙向地支承著推力載荷。以粗箭頭線表示的主要推力是載荷譜中 99% 以上的時間正向的扭矩狀態下來自斜齒輪產生的軸向力。在正向扭矩狀態期間，載荷的支承是通過軸承滾道實現的，而圓錐滾子軸承的特殊結構可使滾子純滾轉運動，很好的承受復合載荷，且滾子不產生任何球軸承會產生的微小滑移。
定位軸承設計
圖 4 表示了典型的定位軸承設計。在圖 5 中， 定位軸承應固定在軸的右端，支承來自齒輪的徑向載荷和推力載荷，而 NU 型 CRB 軸承在另一側作為浮動端軸承。定位軸承是一種高性能、雙向的軸承，它取代了圖1中的 CRB 軸承和 FPCBB 軸承組合。它也可是另一種解決方案，以替代某些設計中所采用的交叉定位的單列軸承布置或稱雙列 2TS-DMTRB 軸承布置。這種軸承在單列圓錐滾子軸承基礎上，在外圈處附加一擋環。
圖 6 說明了定位軸承是如何雙向地支承著推力載荷。以粗箭頭線表示的主要推力是載荷譜中 99% 以上的時間正向的扭矩狀態下來自斜齒輪產生的軸向力。在正向扭矩狀態期間，載荷的支承是通過軸承滾道實現的，而圓錐滾子軸承的特殊結構可使滾子純滾轉運動，很好的承受復合載荷，且滾子不產生任何球軸承會產生的微小滑移。
圖 4 典型的定位軸承的設計
然而，高壓電網或發電機的臨時故障，以及在實施制動程序期間的共振，會迫使驅動機扭矩和齒輪在短時間內產生反向軸向力。另外，也有其它的情況，如：當發電機當作電動機使用、為便于維護而在低速下驅動透平轉子時；以及在臨界速度下的低速風時。所有以上這些條件都需要定位軸承支承在次要方向上，以細箭頭線（見圖6）表示的軸向載荷。這一次要軸向載荷通過滾子的大、小端傳向內圈擋邊、外圈擋環。
定位軸承的主要特點和益處為：
（1）減少了軸向空間：單列軸承替代了常規雙列軸承布置，減小了設計空間，因而，也降低了重型齒輪箱箱體要求的長度和重量。
（2）與現行的設計結構相匹配。
?。?/span>3）在 360°u36733X荷區工作的定位軸承具有對中特性，因而改善了齒輪接觸定位。
（4）降低系統的成本。
（5）降低應力，提高軸承的壽命：在正常運行期間即正向扭矩期間，軸承在 360°u36733X荷區運行，所有滾子都與滾道相接觸受力如圖 7 所示。
（1）減少了軸向空間：單列軸承替代了常規雙列軸承布置，減小了設計空間，因而，也降低了重型齒輪箱箱體要求的長度和重量。
（2）與現行的設計結構相匹配。
?。?/span>3）在 360°u36733X荷區工作的定位軸承具有對中特性，因而改善了齒輪接觸定位。
（4）降低系統的成本。
（5）降低應力，提高軸承的壽命：在正常運行期間即正向扭矩期間，軸承在 360°u36733X荷區運行，所有滾子都與滾道相接觸受力如圖 7 所示。
（6）根據齒輪系統引起的徑向載荷（Fr）和軸向載荷（Fa）兩者的比率關系，可以對滾道/滾子的接觸角度進行優化。在軸承設計時要做到由定位軸承產生的誘導軸向力總比齒輪推力小些。由于軸承的反作用力和齒輪軸向的比率在負荷周期內保持不變，因此, 齒輪軸向力總是足以定位圓錐滾子（見圖 8）。
（7）同時在外圈的任意一側都可提供較小的法蘭，以防止在組裝時出現反向裝配的可能性（見圖 9）。
（7）同時在外圈的任意一側都可提供較小的法蘭，以防止在組裝時出現反向裝配的可能性（見圖 9）。
（8）軸承游隙在制造時就精確地設置，因此，在裝配時，無需進行軸承游隙的手動調節。
（9）AGMA 6006 標準限制了在風電齒輪箱內雙向定位的應用中使用單列 TRB 的軸承布置。該應用時，必須精確的控制軸承的徑向間隙范圍或軸承中的軸向游隙，以確保在所有的操作載荷和溫度條件的范圍內，保持適當的運行游隙。由于固定端的定位軸承是與浮動端的 NU 型 CRB 軸承聯合使用的，因此，不需為了保持適當的運行間隙而進行手動調節。
（10）根據 AGMA 6006 規范的要求，對于風電的設計壽命為 20 年的場合，當量載荷下允許的Z大接觸應力不應超過 1300 MPa （對高速軸軸承）和1650 MPa（對高速中間軸軸承）。典型的分析表明：對于既支承徑向載荷又支承軸向載荷的、載荷區為 360 °u30340X定位軸承，其接觸應力小于1300 MPa（與僅承受軸向載荷的 FPCBB 軸承相同），但比僅承受徑向載荷的、但較小載荷區的CRB 軸承的應力要小得多（見圖10）。
（9）AGMA 6006 標準限制了在風電齒輪箱內雙向定位的應用中使用單列 TRB 的軸承布置。該應用時，必須精確的控制軸承的徑向間隙范圍或軸承中的軸向游隙，以確保在所有的操作載荷和溫度條件的范圍內，保持適當的運行游隙。由于固定端的定位軸承是與浮動端的 NU 型 CRB 軸承聯合使用的，因此，不需為了保持適當的運行間隙而進行手動調節。
（10）根據 AGMA 6006 規范的要求，對于風電的設計壽命為 20 年的場合，當量載荷下允許的Z大接觸應力不應超過 1300 MPa （對高速軸軸承）和1650 MPa（對高速中間軸軸承）。典型的分析表明：對于既支承徑向載荷又支承軸向載荷的、載荷區為 360 °u30340X定位軸承，其接觸應力小于1300 MPa（與僅承受軸向載荷的 FPCBB 軸承相同），但比僅承受徑向載荷的、但較小載荷區的CRB 軸承的應力要小得多（見圖10）。
定位軸承結構
標準的定位軸承的保持架是上中心線形式，該保持架將滾子限定在內圈上。另一方面，定位軸承也可使用下中心線保持架，該保持架將滾子限定于外圈。這一配置可配備兩個獨立的擋環（見圖11）。哪種結構更適合，在很大程度上取決于齒輪箱裝備工序，且當重型中間軸是豎直裝入箱體就位時，這種結構特別有用。
標準的定位軸承的保持架是上中心線形式，該保持架將滾子限定在內圈上。另一方面，定位軸承也可使用下中心線保持架，該保持架將滾子限定于外圈。這一配置可配備兩個獨立的擋環（見圖11）。哪種結構更適合，在很大程度上取決于齒輪箱裝備工序，且當重型中間軸是豎直裝入箱體就位時，這種結構特別有用。
高速軸常會碰到使用中的維護，且其也頻繁。在維護期間，完整的輸出軸組件及所附的定位軸承可以
滑出箱體，相似于現今進行日常維護。
抗雜質軸承
風電齒輪箱通常會出現軸承和齒輪受到過早損壞和疲勞，這種損壞和疲勞現象緣于雜質硬粒對關健的接觸表面產生的壓痕。由于輸出軸經受更多的轉動，該軸的軸承甚至因雜質的影響而更加容易受到損壞。因此，為了提高輸出軸的可靠性，定位軸承可配備抗雜質的軸承材料，并對滾子表面涂以 ES300 涂層，使其可靠性達到Z大化。以下圖 12 表示了這樣一
抗雜質軸承
風電齒輪箱通常會出現軸承和齒輪受到過早損壞和疲勞，這種損壞和疲勞現象緣于雜質硬粒對關健的接觸表面產生的壓痕。由于輸出軸經受更多的轉動，該軸的軸承甚至因雜質的影響而更加容易受到損壞。因此，為了提高輸出軸的可靠性，定位軸承可配備抗雜質的軸承材料，并對滾子表面涂以 ES300 涂層，使其可靠性達到Z大化。以下圖 12 表示了這樣一