浅析转盘轴承在风电领域的应用

        近几年，转盘轴承作为一种回转支撑结构出现在越来越多的大型机械设备中，如大型的回转机床、海上钻井平台、港机、汽车吊、雷达、坦克、风力发电机组等等。也成为大型机械设备重要的连接环节，尤其在风力发电机组中，是变桨和偏航系统的必要组成部分。
        风力发电机组通常运行在野外、戈壁、山头等恶劣的环境里，因此安装费用昂贵，过程繁琐，而且对风力发电机组要求也有较高的稳定运行能力。而转盘轴承的使用情况直接影响到整机的运行平稳性，而且在设计、选用、制造、安装和维护过程中，都要根据具体使用情况严格按照相关标准执行，努力做到设计合理化、运行稳定化、寿命最大化。
        本文针对转盘轴承在风电领域的应用及其注意事项加以浅析，希望能为风力发电机组的设计、安装及维护人员提供一定参考。转盘轴承的种类很多，应用在风力发电机组中主要有单排四点接触球式和双排四点接触球式两种。其中单排四点接触球式转盘轴承结构紧凑、重量轻、钢球与圆弧滚道四点接触，能同时承受轴向力、径向力和倾翻力矩,成本低、综合性能较高，通常用于风电偏航轴承如图1。
        双排四点接触球式转盘轴承使用寿命长，承载能力强，允许磨损量大，对安装基座要求不高，常被用于风电变桨轴承，在大MW风力发电机组中有时也被选用偏航轴承如图2。此外还有双排异径球式、单排交叉滚柱式、三排滚柱式等形式，交叉滚子式转盘轴承，虽然精度高、寿命较长，动载荷容量较高，但对基座刚性和精度有要求较高，且滚子与滚道在接触时很容易发生边缘效应，考虑到风力发电机组受外载荷较复杂，安全系数要求较高以及成本等因素，都很少在风机上使用。
        1 转盘轴承主要组成部分
        1.1 套圈转盘轴承有内套圈和外套圈，套圈的材料一般优先选用42CrMo、5CrMnMo、50Mn 分别对应的标准为GB / T 3077、GB / T 1299、GB / T 699，也可以选用具有同等性能的材料加工制造，但性能都不能低于以上几种材料。调质状态硬度为210~260 HB，正火状态硬度为180~240 HB，风力发电机组上硬度要求会更高一些，对于常温型风力发电机组做-20 ℃冲击功要求不小于27 J，对低温型风力发电机组需要做-40 ℃冲击功试验。内外套圈之间有一圈滚道，滚道是整个转盘轴承最薄弱的环节，滚道需淬火处理达到相应的硬度和深度来抗击磨损及防止滚道剥落，其淬硬层深度及硬度可按照标准JB / T 2300中的规定。
        1.2 滚动体转盘轴承的滚动体位于内、外套圈之间，实现内外圈相对旋转，主要承受风载荷产生的倾覆力矩的作用。滚动体的材料通常选用GCr15及GCr15SiMn，硬度值见表1，同时应满足标准GB / T 308或GB / T 18254。
        1.3 齿轮
        转盘轴承与其他轴承最大的区别就是带有传动齿轮，当转盘轴承与驱动齿轮为外啮合时，齿轮加工在外套圈上，当驱动齿轮与转盘轴承为内啮合时，齿轮被加工在内套圈上。齿轮为标准直齿渐开线圆柱齿轮，通常有变位系数，齿轮模数应符合GB / T 1357,齿轮精度按GB / T 10095中规定执行，需淬火的齿轮根据实际需要分为齿面淬火、齿根淬火和全齿淬火，淬火部位的表面硬度一般为50~60 HRC，有效层深度DS（硬度≥40 HRC表层深度）如表2。
        1.4 密封圈密封圈材料用SNT7453 型丁腈橡胶，同时满足HG / T 2811的规定。虽然丁腈橡胶是最常用的耐油材料，质优价廉，并有良好的耐油、耐热和耐磨性能而被广泛用于生活中很多领域，但其不适用于磷酸酯系液压油及添加剂的齿轮油中,也不适用于酮类、臭氧、和氯仿等环境中，因此在使用材料为丁腈橡胶密封圈时必须考虑其密封的油脂及工作环境。
        2 转盘轴承工作原理及常现机械故障
        大型风力发电机组主要有主传动系统、电动变桨系统和偏航系统，其中变桨系统和偏航系统工作原理都是通过转盘轴承实现的，在整机发电过程中，需要变桨和偏航时，主控系统根据风速风向仪反馈信号启动三合一，通过主动小齿轮驱动转盘轴承动作，来改变叶片的桨距角和迎风角度，保证整机的最大捕风量。
        从以往经验来看，风机运行过程中转盘轴承容易出现的问题主要有以下几个方面：安装维护、齿圈的配合间隙、润滑和密封、齿圈与驱动齿轮啮合处、防腐等，因此针对上述问题提出以下几点注意事项。
        3 风力发电机组转盘轴承注意事项
        风力发电机组由于生存环境恶劣，受力复杂，因此在以上规定的基础上可以提高相关数值以满足实际要求。如内外圈滚道，作为最薄弱环节的滚道，转盘轴承在使用中的损坏98%来自滚道的损坏，因此为保证转盘轴承使用寿命满足20年要求，对滚道淬硬层深度及表面硬度应提出更严格的要求。
        在设计、安装、维护阶段应注意以下事项：
        1）风力发电机组在运行过程中所受到的气动力是变化的，风速不仅大小变化而且方向也会变化，从而产生陀螺力矩，它作用在叶片上是一种变化惯性载荷，这个载荷对转动的叶片是变化的，也是激振源。这个振源使叶片产生振动，叶片是用螺栓固定在变桨轴承的内圈上，叶片的振动使固定螺栓产生松动，叶片的受力不再均匀，产生微动磨损，因此，在设计过程中，为防止因固定转盘轴承螺栓松动引起轴承位移而产生磨损，在保证螺栓的疲劳寿命情况下，尽量取较大的拧紧力矩值（风力机械标准汇编手册中已给出参考力矩值，可以作为参考）。但是必须根据实际情况制定实际可行的检修规定，如安装并首次投入工作的回转支承在连续运转100 h后，应全面检查安装螺栓的预紧力是否符合要求，以后每连续运转500 h重复上述检查，当螺栓的松动角度超过30 °，要对此螺栓加以留意或更换，杜绝因螺栓松动，加剧转盘轴承的磨损。
        2）装配时游隙的控制也将对轴承的受力和寿命产生严重影响。转盘轴承内外套圈之间的游隙，直接影响到转盘轴承的载荷分布、回转灵敏性、回转精度、振动特性等，为此JB / T 2300—1999、JG / T 66—1999、JB 10705[3,4]等标准都对转盘轴承游隙作了明确要求，风电中的偏航轴承和变桨轴承通常要求零游隙或是稍微负游隙来提高轴承的承载能力，降低疲劳度。转盘轴承齿轮与变桨减速机或偏航减速机的齿轮啮合间隙，齿侧间隙的最小值一般要求为（0.03～0.04）×模数，在最终紧固转盘轴承之后，对整个圆周上的小齿轮的齿轮啮合间隙要进行重新检查确保间隙适中，提高传动精度、降低冲击载荷。
        3）润滑和密封也是要考虑的因素，风力发电机组上用的转盘轴承都是低速重载的工况，润滑不好容易在金属表面发生分子熔接、滚道留下凹坑加速轴承磨损，所以必须保证有良好的润滑，在齿面之间、滚动体与滚道之间形成保护性油膜，减轻接触面间的微动磨损，减小回转阻力矩，避免金属与金属直接接触，同时要即时处理掉废弃油脂，避免沙尘等硬质颗粒进入啮合面，造成齿面磨损甚至断齿，延长转盘轴承的使用寿命。
        常用的润滑脂的种类很多，在选取润滑脂时主要考虑使用的环境和润滑性能，如果涉及到低温环境时，务必保证润滑脂在最低温度环境下能继续工作；制定合理的润滑系统操作规程，轴承注润滑脂的量和周期以厂家提供的数据为参考，制定符合实际工况的润滑方案；设备长时间停止运转的前后，也必须对其加注润滑脂，避免启动瞬间的磨损；加注润滑脂的时候要对确保润滑脂的型号和清洁，绝对不允许不同型号的润滑脂混用，更不能使任何杂质尤其是铁屑参与润滑，以免损伤润滑部位。在有条件的情况下定期手动控制将叶片360 °旋转，同时注润滑脂保证滚道内每个滚动体都能充分润滑。
        4）转盘轴承密封在防止润滑脂外流的同时也防止外界尘埃、水汽、杂质和腐蚀性气体等进入，减少轴承的磨损。密封圈的寿命一般为5~7年，因此在设计时，必须考虑如何更换密封圈。维护人员必须按照维护说明书定期检查密封圈的老化情况，特别是在温差较大地区，橡胶密封唇更易早期老化而丧失密封性；同时还要做好机舱罩的密封，防止太阳光直接射在密封圈上，使密封圈过早的老化。一但发现密封圈错位或断裂，出现润滑油外流时，应及时将其复位或更新，确保滚道和滚珠不受磨损。除此之外防止轴承过电流、发生电腐蚀，以及在安装过程中注意淬火软带应与主载荷区成90 °，保证安装精度等细节工作也不能忽视，在安装及调试过程中要严格按照设计规范执行。
        4 结束语
        转盘轴承在风力发电机组中扮演重要角色，一旦转盘轴承需要维修或更换，就要花费几十万甚至上百万元的起吊运输费用，劳民伤财，因此在选用转盘轴承过程中一定要充分论证、验算，严格按照使用说明书，充分了解其工作原理及特性，重视对其的维护，保证其额定使用寿命。