风机主轴轴承及选配

风机主轴承制造关键技术
∗ 风力发电机常年在野外工作，工况条件比较恶劣，温度、湿 度和轴承载荷变化很大，有冲击载荷，因此要求轴承有良好 的密封性能和润滑性能、耐冲击、长寿命和高可靠性。风力 发电机的可靠性要求超过20年，而作为为其配套的轴承，也 要求具有超过20年的使用寿命；风力发电机在2-3级风时就要 启动，轴承结构需要进行特殊设计以保证低摩擦、高灵敏度。 根据其同时承受轴向载荷、径向载荷和冲击载荷的受力特点， 由于涉及多学科，要特别注意制造轴承零件所用材料的优选、 材料质量控制、工艺措施以及特大型轴承寿命等关键技术的 研究和应用。
主轴轴承选配
选配要素：载荷及寿命
∗
∗ 滑动轴承： 滑动轴承： ∗ 由于滑动轴承一般单独承受径向或轴向载荷，只需满足此载 荷即可。但由于滚动体间需完全或不完全被油膜分开，对压 强、转速、油粘度等还有复杂要求。 ∗ 寿命需满足风机既定要求。
∗ 风电机组制造企业在选择风电轴承供货厂家时，不仅要按 常规考察供货厂家的经济规模、管理水平、质量保证能力 和产品性价比，更要考察其在风电轴承生产中抗疲劳制造 技术研究和应用的情况。不同厂家生产的同一型号的风电 轴承，从外表上看几乎一模一样，但内在质量、寿命和可 靠性有时却相差甚远。 ∗ 滚动轴承选配除满足载荷及寿命要求外，主要任务是将内 圈、外圈和滚动体进行尺寸分选，通过选配以保证装配后 具有满足要求的径向游隙或宽度。滚动轴承装配过程中的 一个主要工序是选配合套工序，首先要将套圈滚道直径尺 寸选别分组，然后将各种组别的内圈、外圈及滚动体按轴 承要求的游隙或宽度公差配合起来成为“一套”轴承（属 于生产厂商的 生产厂商的生产工序）。 生产厂商的
风机中各结构使用的轴承类型
根据不同类型的风力发电机的结构和使用要求，大型轴承的结构形状也会有所不同。下 表列出了轴承在风电机组不同部件中的具体应用：
轴承类型 球面滚子轴承 单/双排大直径圆锥滚子轴承 圆柱滚子轴承 滚球轴承 旋转枢轴轴承 与其相配的部件 主轴、齿轮箱 主轴、齿轮箱 主轴、齿轮箱、发电机 发电机 偏航、变桨
风电主轴轴承现在都是通用轴承，其中一部 分要发展成为专用轴承，这是一种趋势。
∗ 随着风力发电机的发展，大功率的风力发电机成为市场发展的 趋势，较高的功率密度也成为各主机制造商争相追赶的目标。 随着风电机组单机容量的增大，一个主要的设计方向是降低机 舱重量，也即降低每千瓦电力所需的原材料投入（kg/kW）。 ∗ 很多研究以及目前主要制造商的设计趋势表明，圆锥滚子轴承 更能适应大型风电机组的运行。圆锥滚子轴承专为承受既有径 向力又有轴向力的复合载荷而设计，在风速和风向随时发生变 化的情况下，是掌控应力的理想选择。该类轴承功率密度高， 能在最紧凑的布局中提供最佳性能，为风机长期稳定的运行提 供保障。无论用于齿轮箱还是主轴上，圆锥滚子轴承的设计都 能在保证可靠运行的基础上有效的控制轴承尺寸和主轴及齿轮 箱等相关部件的尺寸，防止机舱重量增加过多，有助于风机设 计的进一步升级。
此种设计为固定端/浮动端轴承支撑的两点支撑形式是最典型的。轴承被安装 在两个独立的或一个共同的轴承座内，转子端或齿轮箱端轴承都可以设计为固 定端轴承。第一种形式提供了径向力和轴向力之间更为适合的比例，而且主轴 的结构会导致固定端轴承的解决方案直径较大。采用第二种形式时，传递轴向 载荷的轴肩的位置在主轴应力方面表现得更为有利，因为它避免了前轴承位置 的台阶。只有转矩进入齿轮箱，在一定程度上保护了齿轮箱，但价格较贵（多 一个轴承和轴承座，主轴也较长）。
∗ 设计与分析： 设计与分析 分析： ∗ 目前仍以经验类为主，受力分析与载荷谱的研究几乎空白。其 中的难点技术是针对主轴轴承的要求无故障运转达13 ×104 h 以上，工作寿命20 年；并具有99% 以上的可靠度；针对齿轮箱 轴承的高损坏率(齿轮箱故障中约80%左右是轴承失效所致)的 高载荷容量设计等。 ∗ 主轴轴承的高精度加工： 主轴轴承的高精度加工 轴承的高精度加工： ∗ 其中最主要是所采用的调心滚子轴承，由于其结构特点，导致 在制造上难以实现高精度，通常的最高加工精度仅为P5，而现 在的设计精度已要求达到P4。保持架的改进设计，保持架应具 有更高的强度和耐磨损性。
市场现状
∗ 风电机组中偏航轴承和变桨轴承 偏航轴承和变桨轴承的技术门槛相对较低，而主轴 偏航轴承和变桨轴承 主轴 轴承和增速器轴承的技术含量较高，发电机轴承 发电机轴承基本上为成熟 轴承和增速器轴承 发电机轴承 的通用产品。因此，目前国内风电轴承企业的产能主要集中在 偏航轴承和变桨轴承上，3 MW以下风电机组配套轴承均可批 量生产，国产风电轴承逐渐形成了规模化、系列化生产，主要 企业有瓦轴、洛轴、天马、徐州罗特艾德以及大冶轴、轴研科 技、方圆支承、上海联合和西北轴等，国产替代率已达到80% 以上，年产能已达4.5 万套以上，不仅满足了国内的需求，而 且也成为国外一些风电设备厂家的采购渠道；但对于主轴轴承 和增速器轴承，基本还是依靠进口，只有部分企业初步介入， 尚处于研制阶段。 ∗ 国际上著名风电轴承公司主要有瑞典SKF、美国Timken 和日本 NSK、NTN、德国Rothe Erde(罗特艾德)、 Schaeffer(舍弗勒)、 FAG、法国Rollix(劳力氏)等，在全球市场占据统治地位。
主轴与主轴轴承
组装完毕的轴承室
主轴轴承支撑配置
∗ 如今安装的所有风力发电机中，75%～80%均采用主轴轴承支撑 原理，也就是主轴承的内圈安装在旋转的主轴上。主轴起支承 轮毂及叶片，传递扭矩到增速器的作用，主轴轴承主要承受径 向力，其性能的好坏不仅对传递效率有影响，而且也决定了主 传动链的维护成本，所以要求具有良好的调心性能、抗振性能 和运转平稳性。 ∗ 在主轴上，采取双轴承的配置是比较常用的一种轴承配置形式， 采用的轴承类型根据设计要求的不同而有所不同，但较为常见 的轴承配置为调心滚子轴承或者圆锥滚子搭配圆柱滚子轴承的 配置。大功率风力发电机多采用大锥角双列圆锥滚子轴承或三 列圆柱滚子轴承。
主轴轴承是直接整合 在齿轮箱内的。这种 设计的优点之一是： 由于固定端轴承和浮 动端轴承使用同一个 箱体，使得保持它们 的同轴度更为容易， 但要求高。同时这种 双列圆锥滚子轴承比 较精密，价格很贵。 其常见的损坏症状是 保持架断裂、滚子打 横、滚子调心角度过 大。
∗ 单个轴承的解决方案在约3 MW级以上的风力发电机中 出现的越来越多。整合概念的运行时间最长的3 MW 风 电设备装有位置非常接近齿轮箱的、承受所有来自转子 的载荷的主轴承。还有其他的3～5 MW 的设备也采用这 种轴承配置。 ∗ 当使用主轴轴承支撑结构时，几乎所有的结构都毫无例 外地使用了调心滚子轴承。事实上，对于采用单独轴承 座的结构，轴承位置处轴的角位移太大，所以采用调心 滚子轴承是必须的。把传统主轴轴承概念应用到多兆瓦 级的风电设备中通常也是可行的，例如采用两个调心滚 子轴承。
∗ 材料： 材料：
∗ 材料的好坏是决定风电轴承的最重要因素，我国风电轴承与国外差距， 材料是主要因素，其次为风电轴承设计、工艺水平和工艺装备。尽管 我们制定了JG/T10705－2007《滚动轴承 风力发电机轴承》和修订了 GB/T18254－ 2002《高碳铬轴承钢》标准，对其中碳化物、偏析、含氧 量和夹杂物等要求有所提升，但受制于国内钢企冶炼技术和成本等因 素，完全实施仍有很大难度。国产真空脱气钢质量尚存在一定差距， 含氧量控制方面虽有很大提高，但在碳化物均匀性、网状碳化物控制、 夹杂物控制等方面仍有较大差距，这就造成国内风电轴承质量先天不 足，风电轴承的寿命、可靠性及一致性逊色国外产品。
∗ 热处理： 热处理：
∗ 国内风电轴承生产企业的热处理还停留在保护气氛的少氧化加热，采 用99.8% 以上氮气＋甲醇或只通入甲醇作为保护气氛，炉内碳势不易控 制，热处理后零件有少量脱碳层，基本可满足磨削要求。但在倒角、 油沟等不磨削位置仍有残留脱碳层，特别对滚动体的使用寿命还是有 一定影响。目前国外先进风电轴承企业已全面推广可控气氛的无氧化 加热，采用高纯氮气＋丙烷，炉内碳势可控制，保证炉内气氛的碳势 与加工零件含碳量基本一致，确保加工风电轴承零件无氧化。目前先 进轴承钢中氧含量要求在4 × 10 -6 以下。
主轴轴承及选配
田超
什么是轴承：轴承是在机械传动过程中 起固定和减小载荷摩擦系数的部件。
∗ 轴承分类： 轴承分类：
∗ 按轴承工作的摩擦性质不同可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承） 和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。 ∗ 按载荷方向可分为：①向心轴承，承受径向载荷。②推力轴承， 承受轴向载荷。其中滚动轴承还有向心推力轴承，同时承受径向 载荷和轴向载荷。
在选配滚子轴承时，还应主要考虑轴承的游 隙以及滚子的修形和润滑油的选择等因素。
∗ 轴承润滑、工作温度和游隙对其承载能力的影响很大。适当 的润滑剂可以使轴承部件之间得到良好的润滑，特别是在低 温条件下，要求润滑油有良好的黏温特性，能减小轴承启动 时的摩擦力矩，同时为了防止润滑油膜被破坏，避免部件之 间直接接触，出现干摩擦状态，轴承升温膨胀，降低部件性 能，可考虑采用集中润滑对轴承进行润滑，防止由于加油周 期长而引起润滑不到位，导致轴承损坏。 ∗ 轴承游隙过大，易导致轴承在运行时承受外载的滚子数量减 少，加剧滚子点蚀磨损；游隙过小，易导致轴承摩擦发热， 温度升高，破坏油膜，在很多极限工况下往往只有几个滚子 受载。因此在设计选型时就应考虑轴承游隙对其寿命的影响。
∗ 滑动轴承是用来支承轴的一种重要部件。虽然滚动轴承 有一系列优点，在一般机器中获得了广泛的应用，但是 在高速 高精度 重载 结构上要求剖分 高速、高精度 重载、结构上要求剖分 高速 高精度、重载 结构上要求剖分等场合下，滑 动轴承就显示出它的优异性能。因而在汽轮机、内燃机、 轧钢机，及仪表、雷达、天文望远镜中多采用滑动轴承。 此外，在低速而带有冲击的机器中，如水泥搅拌机、滚 筒清砂机、破碎机等也常采用滑动轴承。
滑动轴承
轴承的润滑：分为油润滑和脂润滑
∗ 润滑目的： 润滑目的 目的：
∗ 减少轴承内部(套圈、滚动体及保持器)摩擦及摩损， 防止烧粘,保证轴承正常工作,延长轴承的寿命； ∗ 可以用油转移由摩擦发生的热，冷却； ∗ 防止异物侵入轴承内部，或防止生锈、腐蚀。
轴承的失效形式
∗ 疲劳点蚀：滚动体接触表面反复接受接触应力的作 用，出现疲劳裂纹并继续发展，使金属表层产生麻 坑或片状脱落；是滚动轴承的主要失效形式。 ∗ 塑性变形：过大的静载荷及冲击载荷作用下滚动接 触表面产生永久性凹坑，不正确安装、异物可导致 接触表面产生压痕。增大了摩擦力矩、振动和噪声， 降低了运转精度。 ∗ 磨损：杂质侵入，导致磨粒磨损、线状伤痕；或润 滑不良引起烧伤。 ∗ 其他形式：电腐蚀、化学腐蚀
滚动轴承
∗ 滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体、保持架等四部分组 成。
∗ 通常内圈装配在轴上，并与轴一起旋转，外圈与轴承座孔 装配在一起，起支撑作用。 ∗ 保持架将滚动体等距离排列隔开，以避免滚动体直接接触， 减少发热和磨损。
∗ 滚动体是滚动轴承的核心元件。Biblioteka Baidu
∗ 以上为4个基本元件， 其余附加元件如止动环等
采用三点支撑，一点是固定端轴承而另外两点是齿轮箱内的转矩 支撑轴承。在此，齿轮箱输入轴轴承作为浮动端轴承。固定端轴 承相对于齿轮箱输入轴的浮动端轴承的同轴度以及轴的偏移量， 是选择轴承类型时的决定因素。固定端轴承采用单独的轴承座， 推荐使用自调心轴承（例如调心滚子轴承）。另外重要的一点是， 要在安装时确保固定端轴承位置和浮动端轴承位置之间的正确的 距离。轴向力一定要作用在固定端轴承上。采用三点支撑，作用 在浮动端轴承上的力显示了载荷对齿轮箱内部的影响。
风机主轴轴承简介
∗ 根据风力发电机组的结构，一个兆瓦级以上的风 力发电机组将需要4个精密级回转支承与之配套， 分别为一个偏航支承和三个变桨支承，还需要1个 主机主轴轴承和1个增速箱主轴轴承。 ∗ 目前，主轴轴承主要有圆锥滚子轴承、调心滚子 轴承、2-3 列圆柱滚子轴承等形式，为使轴承有 更长的使用寿命和更强的承载能力，往往采用多 列滚子轴承排布。
滚动轴承例举
∗ 按滚动体的形状可分为球轴承和滚子轴承 ∗ 按滚动体的列数，可分为单列、双列及多列
滚动轴承的特点
∗ 摩擦阻力小，起动机运转力矩小，启动灵敏，功 率损耗小且轴承单位宽度承载能力较大，润滑、 安装及维修方便等。 ∗ 与滑动轴承相比，滚动轴承的缺点是径向轮廓尺 寸打，接触应力高，高速重载下轴承寿命较低且 噪声较大，抗冲击能力较差