一端軸承浮動、另一端軸承固定的風力發電機主軸支撐
2009-08-21供稿：鐵姆肯公司
固定端是雙內圈圓錐滾子軸承與固定端是調心滾子軸承的設計比較
固定端是雙內圈圓錐滾子軸承與固定端是調心滾子軸承的設計比較
概述
目前在風力發電機主軸位置上固定端使用一個雙列調心滾子軸承的方案并不是一個值得優先考慮的方案，并且在未來的設計中應該避免。雖然沒有一個確定的公認Z大極限值，但是一般認為所允許的雙列調心滾子軸承承受的軸向力和徑向力的Z大比值在0.15和0.20之間。也就是說，軸向力只能是徑向力的15%到20%。在某些應用中，這個比值可以達到0.3甚至0.35，但可能會出現一列不受力、兩列應力不均、滾子傾斜、保持架變形、產生過多的熱量、滾子斑點剝落等情況。由于風力發電機主軸固定端軸承的受力比例一般在0.6左右，這會導致只有一列承受徑向力及軸向力，也就是說軸承無法按照原來設計的方式進行運轉，因此必須要考慮其他的固定端的軸承方案來提高性能和可靠性。
本文主要講述了在風力發電機主軸位置一端采用雙列圓錐滾子軸承，另一端采用圓柱滾子軸承方案的好處。分析表明使用預緊的雙列圓錐滾子軸承可以提高主軸的剛性，從而減小軸承滾道和齒輪箱輸入零部件發生假性壓痕的可能性。預緊并優化的內部游隙甚至可以在Z極端風力情況下，確保很好的系統穩定性，滾道的形狀經過優化后甚至可以在非常大的偏心情況下正常使用。
主軸軸承的比較
有一些風力發電機在主軸位置上使用兩個調心滾子軸承。固定端調心滾子軸承承受軸向力和徑向力，浮動端調心滾子軸承只承受徑向力。安裝時兩個軸承都有一定的徑向游隙。安裝游隙對軸承軸向和徑向的剛性有著重要的影響。因此，主軸的徑向偏移和軸承軸向移動都要受到初始游隙及軸孔配合的影響。減小軸承的徑向偏移對提高軸承和系統的性能都有好處。在固定端使用一個預緊的雙列圓錐滾子軸承，在浮動端使用圓柱滾子軸承對于風機主軸來說是一種更好的軸承布置形式。
主軸運轉過程中的分析比較
圖1 給出的是一個典型風力發電機上葉片受力圖。
目前在風力發電機主軸位置上固定端使用一個雙列調心滾子軸承的方案并不是一個值得優先考慮的方案，并且在未來的設計中應該避免。雖然沒有一個確定的公認Z大極限值，但是一般認為所允許的雙列調心滾子軸承承受的軸向力和徑向力的Z大比值在0.15和0.20之間。也就是說，軸向力只能是徑向力的15%到20%。在某些應用中，這個比值可以達到0.3甚至0.35，但可能會出現一列不受力、兩列應力不均、滾子傾斜、保持架變形、產生過多的熱量、滾子斑點剝落等情況。由于風力發電機主軸固定端軸承的受力比例一般在0.6左右，這會導致只有一列承受徑向力及軸向力，也就是說軸承無法按照原來設計的方式進行運轉，因此必須要考慮其他的固定端的軸承方案來提高性能和可靠性。
本文主要講述了在風力發電機主軸位置一端采用雙列圓錐滾子軸承，另一端采用圓柱滾子軸承方案的好處。分析表明使用預緊的雙列圓錐滾子軸承可以提高主軸的剛性，從而減小軸承滾道和齒輪箱輸入零部件發生假性壓痕的可能性。預緊并優化的內部游隙甚至可以在Z極端風力情況下，確保很好的系統穩定性，滾道的形狀經過優化后甚至可以在非常大的偏心情況下正常使用。
主軸軸承的比較
有一些風力發電機在主軸位置上使用兩個調心滾子軸承。固定端調心滾子軸承承受軸向力和徑向力，浮動端調心滾子軸承只承受徑向力。安裝時兩個軸承都有一定的徑向游隙。安裝游隙對軸承軸向和徑向的剛性有著重要的影響。因此，主軸的徑向偏移和軸承軸向移動都要受到初始游隙及軸孔配合的影響。減小軸承的徑向偏移對提高軸承和系統的性能都有好處。在固定端使用一個預緊的雙列圓錐滾子軸承，在浮動端使用圓柱滾子軸承對于風機主軸來說是一種更好的軸承布置形式。
主軸運轉過程中的分析比較
圖1 給出的是一個典型風力發電機上葉片受力圖。
圖1 載荷分布情況
在運行中，一個徑向力主要來自重力，一個水平力主要來自風。轉子的軸向力和傾覆力矩來自葉片。用來做分析比較的工況是由恒速16轉/分鐘下500多種不同受力情況合成的一個當量載荷工況。
主軸模型
圖2給出了用于軸承系統分析的主軸模型。力Fx, Fz以及扭矩My，Mz作用于離固定端軸承2000mm的殼體中心。來自風的水平力Fy和Fz相比非常小，因此在我們的分析中忽略不計。軸承之間的跨距為1000mm，齒輪箱重量（在我們的分析中假定200000N）作用于離固定端軸承2500mm的軸端。
圖2在中心線上給出了布置雙列圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承的方案，在中心線下給出的是兩個調心滾子軸承的方案。
主軸模型
圖2給出了用于軸承系統分析的主軸模型。力Fx, Fz以及扭矩My，Mz作用于離固定端軸承2000mm的殼體中心。來自風的水平力Fy和Fz相比非常小，因此在我們的分析中忽略不計。軸承之間的跨距為1000mm，齒輪箱重量（在我們的分析中假定200000N）作用于離固定端軸承2500mm的軸端。
圖2在中心線上給出了布置雙列圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承的方案，在中心線下給出的是兩個調心滾子軸承的方案。
圖2：主軸模型
（圖中英文注釋：Loads and Moments acting on the rotor – 作用于轉子的力和力矩；Double row Tapered roller bearing – 雙列圓錐滾子軸承； Solution1：TDI + CRB – 方案1：雙列圓錐滾子軸承+ 圓柱滾子軸承； Cylindrical roller bearing – 圓柱滾子軸承； Spherical roller bearing – 調心滾子軸承； solution2：SRB+SRB – 方案2：調心滾子軸承+調心滾子軸承）
（圖中英文注釋：Loads and Moments acting on the rotor – 作用于轉子的力和力矩；Double row Tapered roller bearing – 雙列圓錐滾子軸承； Solution1：TDI + CRB – 方案1：雙列圓錐滾子軸承+ 圓柱滾子軸承； Cylindrical roller bearing – 圓柱滾子軸承； Spherical roller bearing – 調心滾子軸承； solution2：SRB+SRB – 方案2：調心滾子軸承+調心滾子軸承）
軸承使用ISO VG320黏度的油脂進行潤滑，運行溫度假定40攝氏度。
分析結果比較
圖3 – 調整壽命 L10A
（圖中英文注釋: condition – 工況；Adjusted Life – 調整壽命； Fixed Position – 固定端； Floating Position – 浮動端；TDI – 雙列圓錐滾子軸承；SRB – 調心滾子軸承； CRB – 圓柱滾子軸承；weighted: 平均值）
（圖中英文注釋: condition – 工況；Adjusted Life – 調整壽命； Fixed Position – 固定端； Floating Position – 浮動端；TDI – 雙列圓錐滾子軸承；SRB – 調心滾子軸承； CRB – 圓柱滾子軸承；weighted: 平均值）
調整壽命是考慮了各種環境因素，比如運行溫度、偏心、承載區、潤滑和應力水平，它的公式為：
L10 為樣本壽命（小時）
ai為環境系數
結果表明雙列圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承的方案調整壽命要比調心滾子軸承方案長。
甚至雙列圓錐滾子軸承的額定承載能力低于調心滾子軸承的情況下，圓錐滾子軸承由于可以預緊，所以它的表現要強于調心滾子軸承。預緊可以改善兩列滾子間的荷載分布情況和承載區。
軸的變形
圖4給出了主軸徑向變形和位置的關系曲線。
圖4：主軸變形
（圖中英文注釋：Shaft deflection- condition 1 – 軸變形 - 工況1；model with tapered roller bearing – 使用圓錐滾子軸承的模型； model with spherical roller bearing – 使用調心滾子軸承的模型；location – 位置）
（圖中英文注釋：Shaft deflection- condition 1 – 軸變形 - 工況1；model with tapered roller bearing – 使用圓錐滾子軸承的模型； model with spherical roller bearing – 使用調心滾子軸承的模型；location – 位置）
結果顯示裝了預緊雙列圓錐滾子軸承的主軸變形要比裝了調心滾子軸承的小，有兩個原因：
1、 和調心滾子軸承一直有徑向游隙相比，雙列圓錐滾子軸承有0.500的預緊，提高了系統的剛性。
2、 雙列圓錐滾子軸承改善了雙列滾子之間的載荷分布，減小了每列的徑向和軸向變形。
軸向偏移
風力發電機的主軸既有徑向偏移，又有軸向偏移。實際上，主軸的軸向偏移直接傳遞到齒輪箱的輸入軸。除非對調心滾子軸承的徑向游隙，軸向游隙控制以及行星輪的定位做特別處理，否則軸向的偏移會對齒輪箱里行星架支撐軸承產生不利的影響。
主軸的軸向偏移取決于系統的剛性和固定端軸承的內部游隙。在固定端使用預緊的雙列圓錐滾子軸承后，主軸右端的軸向偏移幾乎比使用調心滾子軸承時減少4倍。減小軸向偏移可以減小軸向擠壓齒輪箱輸入軸的風險，這非常重要。
軸承的承載區
在一端固定、一端浮動的軸承布置情況下，固定端軸承（雙列圓錐滾子軸承或調心滾子軸承）同時承受徑向力和軸向力，而浮動端軸承（圓柱滾子軸承或調心滾子軸承）只承受徑向力。因為軸向力作用方向是從轉子端指向齒輪箱端的，因此不管是使用雙列圓錐滾子軸承還是使用調心滾子軸承，只有靠近齒輪箱一端的一列滾子承受所有的軸向力，請看圖5。
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圖5：軸承的承載區
（圖中英文注釋：load zone comparison承載區比較； row adjacent to rotor – 靠近轉子的一列；Row adjacent to gear box – 靠近齒輪箱的一列）
對于雙列圓錐滾子軸承來說，兩列滾子間的載荷分配有所改善，對于調心滾子軸承來說，大部分時間里所有的力只有一列滾子承受。
圖6：雙列圓錐滾子軸承的承載區
（圖中英文注釋：row adjacent to rotor – 靠近轉子的一列；row adjacent to gear box – 靠近齒輪箱的一列）
雙列圓錐滾子軸承兩列同時承載是因為：
1、圓錐滾子軸承是預緊的，消除了內部游隙
2、預緊提高了徑向和軸向的剛性，從而降低了運行中的變形，在低速運轉的情況下，應用于風力發電機的優化承載區有確確實實的好處。
在低速運轉時，滾子出了承載區后會失去附著力和滾動速度，從而由保持架推動他們，當滾子重新進入承載區后，在受載情況下重新獲得附著力和滾動速度，滑動和斑點剝落可能會發生。這種滑動和剝落會進一步造成滾道和滾子在那些點處的大面積磨損。同時這也會對承載區油膜形成帶來不利影響。
另外，這種滑動和剝落會帶來很大的滾道/滾子次表層拉剪應力。這種拉應力，結合拉伸環應力，殘余熱處理應力以及滾動接觸應力可以造成過早的軸向裂紋的形成。即使有足夠的油膜或者抗極壓添加劑來防止金屬和金屬的接觸，滾子的滑動也可以帶來同樣大拉伸應力。
速度、滑動、滑移和剝落所帶來的問題在脂潤滑的情況下會更糟。這是因為油脂黏度更大，會阻礙承載區外的滾動運動。
1、圓錐滾子軸承是預緊的，消除了內部游隙
2、預緊提高了徑向和軸向的剛性，從而降低了運行中的變形，在低速運轉的情況下，應用于風力發電機的優化承載區有確確實實的好處。
在低速運轉時，滾子出了承載區后會失去附著力和滾動速度，從而由保持架推動他們，當滾子重新進入承載區后，在受載情況下重新獲得附著力和滾動速度，滑動和斑點剝落可能會發生。這種滑動和剝落會進一步造成滾道和滾子在那些點處的大面積磨損。同時這也會對承載區油膜形成帶來不利影響。
另外，這種滑動和剝落會帶來很大的滾道/滾子次表層拉剪應力。這種拉應力，結合拉伸環應力，殘余熱處理應力以及滾動接觸應力可以造成過早的軸向裂紋的形成。即使有足夠的油膜或者抗極壓添加劑來防止金屬和金屬的接觸，滾子的滑動也可以帶來同樣大拉伸應力。
速度、滑動、滑移和剝落所帶來的問題在脂潤滑的情況下會更糟。這是因為油脂黏度更大，會阻礙承載區外的滾動運動。
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圖7：調心滾子軸承的承載區
調心滾子軸承的表現比較差是因為大部分時間都只是一列滾子在受力。這種情況在大直徑的調心滾子軸承情況更容易發生，因為大直徑調心滾子軸承的內部游隙可以轉化為在球體內相當大的軸向間隙。在外部作用力下，內圈相對于外圈會發生從左到右的偏移，直到右邊一列滾子和外滾道接觸為止。在這種情況下，雙列調心滾子軸承的游隙都作用于左邊一列滾子，使得左邊滾子和外滾道脫開從而大部分時間不承載。
一列滾子不承載會帶來很多問題，包括：
1、 調心滾子軸承的承載能力降低，樣本壽命降低。
2、 由于單列承載會引起系統的軸向承載，滾子端面和擋邊可能接觸，這會帶來更多的發熱量，對潤滑、軸孔配合及壽命的影響會更加復雜。
3、 不承載的一列滾子一直由保持架推動，幾乎沒有滾動，這會造成滑移滑動以及先前提過的相應的問題。
4、 在靜載情況下發生假性壓痕。
滾道應力
應力大小和承載區大小相關，系統有更好的承載區是非常重要的，當載荷由許多滾子以及兩列滾子承受時應力值會小一些。
在當量載荷工況下雙列圓錐滾子軸承的應力大小在所有情況下都比較好，調心滾子軸承的應力要比圓錐滾子軸承大。對于靠近轉子那一列調心滾子來說，在一些運行工況下幾乎沒有應力，因為這一列沒有承載。
結論
風機主軸軸承布置包括固定端和浮動端，雙列圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承的方案相比兩個調心滾子軸承的方案有著很大的優勢，因為：
1、 雙列圓錐滾子軸承提供非常好的徑向和軸向承載能力。
2、 預緊的雙列圓錐滾子軸承改善了承載區從而更好地分配了載荷提高了樣本壽命。
3、 雙列圓錐滾子軸承的游隙是預緊的，提供了很好的靜態和動態剛性。
雙列圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承的方案還有以下好處：
1、 減小主軸的軸向偏移。
2、 Z大程度提高系統的剛度。
3、 由于優化了預緊，Z大程度地提高承載區和軸承調整壽命。
4、 預緊的圓錐滾子軸承在運行時是純滾動從而減小滾子滑移。
5、 減小了軸向偏移從而降低滾道發生疲勞損壞的風險。
6、 減小了軸向偏移從而在靜載下降低了假性壓痕的可能性。
7、 減小了軸向偏移從而降低了軸向擠壓齒輪箱輸入軸的風險。
8、 雙列圓錐滾子軸承優化過的滾道形狀可以在比較高的偏心情況下正常運行。
致謝
我們真摯地感謝Gerald Fox先生（鐵姆肯公司首席技術專家）對本文的指導和貢獻。
作者： Laurentiu Ionescu，鐵姆肯公司羅馬尼亞應用工程師團隊主管；Thierry Pontius，鐵姆肯公司歐洲區加工設備行業團隊主管。
譯者： 陸建國，鐵姆肯公司中國區應用工程師；房寧，鐵姆肯公司中國區高級應用工程師。
一列滾子不承載會帶來很多問題，包括：
1、 調心滾子軸承的承載能力降低，樣本壽命降低。
2、 由于單列承載會引起系統的軸向承載，滾子端面和擋邊可能接觸，這會帶來更多的發熱量，對潤滑、軸孔配合及壽命的影響會更加復雜。
3、 不承載的一列滾子一直由保持架推動，幾乎沒有滾動，這會造成滑移滑動以及先前提過的相應的問題。
4、 在靜載情況下發生假性壓痕。
滾道應力
應力大小和承載區大小相關，系統有更好的承載區是非常重要的，當載荷由許多滾子以及兩列滾子承受時應力值會小一些。
在當量載荷工況下雙列圓錐滾子軸承的應力大小在所有情況下都比較好，調心滾子軸承的應力要比圓錐滾子軸承大。對于靠近轉子那一列調心滾子來說，在一些運行工況下幾乎沒有應力，因為這一列沒有承載。
結論
風機主軸軸承布置包括固定端和浮動端，雙列圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承的方案相比兩個調心滾子軸承的方案有著很大的優勢，因為：
1、 雙列圓錐滾子軸承提供非常好的徑向和軸向承載能力。
2、 預緊的雙列圓錐滾子軸承改善了承載區從而更好地分配了載荷提高了樣本壽命。
3、 雙列圓錐滾子軸承的游隙是預緊的，提供了很好的靜態和動態剛性。
雙列圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承的方案還有以下好處：
1、 減小主軸的軸向偏移。
2、 Z大程度提高系統的剛度。
3、 由于優化了預緊，Z大程度地提高承載區和軸承調整壽命。
4、 預緊的圓錐滾子軸承在運行時是純滾動從而減小滾子滑移。
5、 減小了軸向偏移從而降低滾道發生疲勞損壞的風險。
6、 減小了軸向偏移從而在靜載下降低了假性壓痕的可能性。
7、 減小了軸向偏移從而降低了軸向擠壓齒輪箱輸入軸的風險。
8、 雙列圓錐滾子軸承優化過的滾道形狀可以在比較高的偏心情況下正常運行。
致謝
我們真摯地感謝Gerald Fox先生（鐵姆肯公司首席技術專家）對本文的指導和貢獻。
作者： Laurentiu Ionescu，鐵姆肯公司羅馬尼亞應用工程師團隊主管；Thierry Pontius，鐵姆肯公司歐洲區加工設備行業團隊主管。
譯者： 陸建國，鐵姆肯公司中國區應用工程師；房寧，鐵姆肯公司中國區高級應用工程師。