風電齒輪箱軸承應用分析探討

風電齒輪箱是整個風機中非常重要的部件，由于常年受到變載荷及強陣風的沖擊，因此在設計、制造、維護上有別于普通齒輪箱。而且隨著風機設計功率的不斷提升，風電齒輪箱在滿足傳遞載荷的前提下，體積必須要盡可能小，重量必須要盡可能輕，使用壽命卻依然要達到20年以上。而國內外的應用實踐表明，在風電齒輪箱的所有零部件里，軸承是最薄弱的環節之一。因此，對軸承進行必要的應用分析是保證齒輪箱可靠性的重要手段。本文將以最常見的風電齒輪箱設計形式為例，具體介紹如何通過對軸承的應用分析，來幫助提高風電齒輪箱的可靠性，達到減少停機時間，提高風電齒輪箱可靠性的目的。
　　一風電齒輪箱軸承潤滑分析
　　眾所周知，風電齒輪箱輸入軸的轉速一般在10-20轉/分鐘,由于轉速比較低，導致輸入軸軸承也就是行星架支撐軸承的油膜形成往往比較難。油膜的作用是在軸承運轉時分開兩個金屬接觸面，避免金屬與金屬直接發生接觸。我們可以引入一個參數λ來表征軸承的潤滑效果(λ定義為油膜厚度與兩接觸表面粗糙度之和的比值)。如果λ大于1，說明油膜的厚度足夠分開兩個金屬表面，潤滑效果良好；而如果λ小于1，則說明油膜的厚度不足以完全分開兩個金屬表面，潤滑效果不理想。在潤滑不良的情況下運轉，軸承有可能會發生如圖一所示的損傷。由于風電齒輪箱一般都采用ISOVG320粘度的循環潤滑油，因此如果發現λ小于1，我們一般只能通過降低軸承滾道及滾子的粗糙度來改善潤滑效果。另外，在齒輪箱設計時，行星架支撐軸承要盡量避免一端軸承的尺寸太小，在實際的應用分析中我們發現即使壽命滿足條件，這種設計也會導致小軸承的線速度非常低，油膜更加無法形成。
　　二風電齒輪箱軸承承載區分析
　　在運轉軸承的滾子中一般只有一部分同時承受載荷，而這部分滾子所在的區域我們稱之為軸承的承載區。軸承承受的載荷大小，運行游隙的大小都會對承載區產生影響。如果承載區范圍太小，滾子在實際的運轉中則容易發生打滑現象。對于風電齒輪箱而言，如果主軸的設計采用雙軸承支撐的方案，那么理論上只有扭矩傳遞到齒輪箱。在這種情況下，經過簡單的受力分析，我們不難發現行星架支撐軸承承受的載荷是比較小的，因此軸承的承載區往往也比較小，滾子容易發生打滑。目前，在風電齒輪箱設計中行星架支撐軸承一般采用兩個單列圓錐軸承或者兩個滿滾子圓柱軸承的方案。我們可以通過適當預緊圓錐滾子軸承或者減小圓柱滾子軸承游隙的方法來提高承載區。圖二給出的是減少游隙前后承載區的比較。
　　另外，對承載區的分析可以幫助我們了解雙列軸承是否存在僅有一列承載的問題。目前很多風電齒輪箱制造商在高速軸上采用圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承的方案，這種方案解決了傳統球軸承加圓柱滾子軸承方案中球軸承容易出現點蝕和剝落的問題，但是這種方案必須要注意一個問題，那就是要避免雙列圓錐滾子軸承發生單列承載的現象。雙列圓錐滾子軸承單列承載危害很大：一方面使得軸承的實際承載能力大大降低，從而導致疲勞壽命急劇減小，另一方面使得不受力的一列滾子容易處于打滑狀態。而通過對承載區的分析，我們可以了解所選擇的雙列圓錐滾子軸承是否存在單列承載的問題，并且可以采取針對性的措施。風電齒輪箱高速軸的轉速一般為1100-2000轉/分鐘，由于轉速比較高，軸承所選擇的游隙值相對其他位置軸承一般要大一些，但是游隙比較大也容易造成單列承載的情況。
　　如果發現單列承載的現象確實存在，那么可以考慮采用不同錐角的圓錐軸承配對使用，如圖三所示，用大錐角軸承承受軸向力，而小錐角軸承則可以很好地避免不受軸向力一列脫開而導致單列承載?？偠灾瑢S承承載區的分析可以幫助我們更好地了解軸承的運行狀態，以便優化軸承的選型以及完善齒輪箱的設計。
　　三風電齒輪箱軸承應力分析