风力发电机轴承设计与技术要求详解：偏航、变桨及传动系统轴承的研制与选用指南

风力发电机轴承

概括

风力发电机用轴承大致可分为三类：偏航轴承、变桨轴承、传动系统轴承（主轴和齿轮箱轴承）。由于其运行环境条件复杂，可靠性和寿命要求高，设计制造难度大。本文结合国内外实践经验和研发成果，简要阐述风机轴承的设计特点、技术要求以及开发选型时应注意的事项。

关键词

风电轴承，技术要求，设计，开发

风力发电机轴承主要用于偏航系统、变桨系统、变速箱和发动机。每台机组主要包括1套偏航轴承、2套叶片主轴轴承、约15套齿轮箱轴承以及发电机。轴承约有2组，轴承结构有多种。

1. 代码方法

国外各厂家风力发电机轴承的代号目前尚无确切信息。国产风电机组偏航、变桨轴承代号方法采用JB/T 10471-2004中转盘轴承代号方法。但在风力发电机组偏航、变桨轴承中，出现了双列四点接触球转盘轴承，这种结构轴承的代号为JB/T 10471-2004，并没有规定。因此，风电轴承标准中增加了双列四点接触球转盘轴承的代号。由于单排四点接触球转盘轴承的结构型式用01代号表示，而02代号表示双排异径球转盘轴承的结构型式，因此有的公司用03代号来表示双排四点接触球转盘轴承的结构型式。排四点接触球转盘轴承结构。

2、技术要求

2.1基本要求

风力涡轮机全年在野外工作。工作条件恶劣，温度、湿度和轴承载荷变化较大。风速可达23m/s，并有冲击载荷。因此，要求轴承具有良好的密封、润滑性能和抗冲击性能。 、寿命长、可靠性高。由于发电机在2-3级风时启动，并可随着风向的变化而旋转，因此需要特殊的轴承结构设计，以确保其满足低摩擦和高灵敏度的要求。在设计和制造中，外圈带齿大型偏航轴承的材料加工、热处理、润滑、密封和防腐都有特别高的要求，需要专门的设计和研究。风力发电机主机的寿命设定为20年。因此，要求风电机组轴承的可靠性寿命与机组寿命相同且大于20年。这是因为轴承安装位置不易拆装，拆装成本高、周期长。

2.2 安装位置

轴承用于风力发电机的转子主轴、齿轮箱（增速器）、发电机、偏航齿轮箱（减速器）、偏航旋转座、叶片变桨旋转座、液压泵等部位。偏航轴承安装在塔架与驾驶舱连接处，变桨轴承安装在各叶片根部与轮毂连接处。变桨和偏航系统中使用的变桨轴承和偏航轴承是特大型回转轴承。

2.3 设计要求

2.3.1 转子主轴轴承

转子主轴轴承在承受变化的载荷时需要反复且不规则地启动、加速、减速和停止。因此，除了研究转子主轴轴承的设计外，还应研究轴承类型、轴承游隙、轴承滚子数量、凸面加工、保持架结构等各种条件，特别是最小载荷、平均载荷、最大载荷等。轴承使用部位的载荷，而最佳技术条件的研究尤为重要。

设计时必须考虑轴箱在最大载荷载荷下的必要强度和轴箱在平均载荷载荷下的变形。需要研究轴承寿命，必须选择满足要求且不增加额外负担的细长轴箱设计，并且主轴轴承必须根据实际情况进行充分计算。寿命。

此外，还需考虑轴箱和外圈滚道面的变形，计算各滚动体的载荷，并计算旋转环和固定环各自的寿命。

根据ISO、IEC、GL等国际法规制定轴承理论寿命计算指南。计算依据为：工作时间大于175000小时（20年），安全率（静额定载荷/静当量载荷）2.0。

轴承的理论寿命按下式计算：

Lmnh=aISO×106/60n（C/P）p

aISO：寿命修正系数

n：转速（min-1）

C：基本额定动载荷（N）

P：动当量载荷

p：滚珠轴承p=3；滚子轴承 p=10/3

2.3.2 发电机轴承

发电机通常配备深沟球轴承来支撑转子，并采用油脂润滑。必须保护发电机中使用的轴承免受电腐蚀损坏。为此，应在轴承外圈外径侧面喷涂一层特殊的陶瓷层。喷涂绝缘陶瓷的轴承电阻值大于100MΩ，具有绝缘击穿电压大于2KV的绝缘性能。

2.3.3 增速器轴承

增速机所用变桨轴承要求可靠性高、轻量化、小型化。特别是行星轴承和中、高速轴的支撑轴承，由于承受轴向载荷和径向载荷的联合载荷，轴承寿命受到很大影响。与低速轴的轴承相比，该部分必须使用既具有高负载能力又具有高转速的轴承。

2.3.4 偏航驱动单元轴承

偏航驱动装置的轴承应满足减速器小型化和高扭矩传递的要求。设计的横截面应较低且具有较高的刚度，以承受小齿轮的力矩载荷。为此，减速机主轴用角接触球轴承采用了特殊设计，加深了内外圈的滚道槽，提高了轴向载荷能力。

2.3.5 结构形式

由于风电中使用的回转轴承不仅承受较大的倾覆力矩，还受到空气动力、叶片旋转等多种复杂疲劳载荷的影响。另外，由于高可靠性和长寿命的要求，在结构设计时应更加关注轴承。动载荷能力，特别是滚道的抗疲劳寿命。国内标准虽然规定了变桨轴承和转盘轴承的结构形式，但没有给出合理的选型结构。从目前的安装使用情况来看，变桨轴承多采用双列四点接触球轴承。大多数航空轴承采用单列四点接触球轴承，少数采用交叉滚子或其他形式。

2.4 材料

风电机组轴承的偏航、变桨轴承套圈一般采用42CrMo钢，热处理采用整体调质处理。调质后硬度为229HB-269HB。滚道部分经过表面淬火，淬火硬度为55HRC-62HRC。传动系统轴承套圈一般采用ZGGr15或ZGGr15SiMn钢制成。由于风电机组偏航、变桨轴承受力条件复杂，轴承承受较大的冲击和振动，因此要求轴承既能承受冲击，又能承受较大的载荷。轴承套圈的基础硬度为229HB-269HB，保证能承受冲击而不发生塑性变形。同时滚道部分表面淬火硬度必须达到55HRC-62HRC，以增加接触疲劳寿命，保证轴承的长寿命。鉴于我国最早安装风机的新疆、内蒙古等地气候温差大、寒冷期长、风沙多。因此，国内较早开发风机轴承的两大企业都选择了韩国釜山和平山钢铁公司的钢材，主要特点是具有优异的低温抗冲击性能。后来由于交货时间长、价格上涨，现在改用日本三洋公司的钢材。

2.5 低温冲击能

风电轴承标准要求偏航、变桨回转轴承套圈的低温冲击功：20℃时Akv，不小于27J。冷态Akv值可与用户协商确定。有时风力发电机的工作地点可能在极寒地区，环境温度低至-40℃，通常的工作温度在-20℃左右。这就要求轴承能够在低温条件下承受较大的冲击载荷。因此，轴承套圈材料调质后，必须进行低温冲击功试验。即取轴承套圈的一部分制成试样，或选取与套圈性能和热处理条件相同的试样，在环境温度-20℃下进行冲击功试验。

2.6 支撑齿圈加工及热处理

由于风电机组轴承的传动精度不高，齿圈直径较大，齿轮模数也较大。因此，齿轮一般要求符合GB/T10095.2---2001中9级或10级的精度等级。加工。但由于工作条件下小齿轮与轴承齿圈之间存在冲击载荷，轴承齿圈的齿面必须进行淬火处理。小齿轮的齿面硬度一般为60HRC。考虑到等效寿命的设计要求，规定大齿轮的齿面淬火硬度不低于45HRC。由于实际使用过程中98%的损坏来自滚道的损坏，因此对滚道表面的淬火硬度和硬化层有特殊要求，一般达到55~62HRC。

2.7 间隙

偏航和变桨轴承在安装游隙方面有特殊要求。与偏航轴承相比，变桨轴承的冲击载荷更大。考虑到强风会引起叶片较大的振动，要求变桨轴承的间隙应为零间隙，或稍小的负间隙值。 ，可减少轴承在振动下的微动磨损。偏航轴承所需小游隙值：0-0.05。另外，由于风力发电机的驱动电机由偏航和变桨轴承驱动，因此应能够保证轴承在负间隙或小间隙条件下使驱动电机旋转。因此，轴承装配后，需要在空载情况下测量启动摩擦扭矩。具体扭矩值根据主机驱动系统的不同而不同。

2.8 润滑

由于风电轴承现场运行环境恶劣、载荷复杂，往往需要在极高温度、极低温、昼夜温差大、转速变化大的环境下工作。推荐使用适应性强的锂复合基脂和聚脲基脂进行润滑。胖的。鉴于我国风电机组的分布，要求风电机组轴承润滑油具有耐低温、极压抗磨和热稳定性等特点。国外一般推荐使用含有固体添加剂的稠度为1#的低温润滑脂，在-40℃以下仍可使用。可以润滑，国产润滑脂可用7011低温极压润滑脂。

某公司较早开发的风电轴承是根据丹麦维斯塔斯、美国GE、Suzlon等国外公司的推荐，采用美国公司指定的Mobil美孚SHC 460WT润滑脂或Shell Sheel Rhodina BBZ（变桨轴承）润滑脂。制造商和（德国）Fuchs Gleitmo 585k（偏航轴承）。特别是：美孚SHC 460WT润滑脂性能优异，适用于偏航、变桨和主轴轴承。工作温度范围为-40°C至150°C。

2.9 密封

风电轴承的密封材料一般为丁腈橡胶（SN7453），结构为唇形密封圈。在气候寒冷、温差较大的地区，采用氟橡胶制成的密封圈，其耐寒性强，工作温度范围宽，可适应200℃左右的高温。国外一些大公司选用的双唇密封结构，可以有效防止辐射和氧化气体进入轴承；此外，对于特殊环境的风场，还应考虑特殊的密封圈材料和结构设计。

2.10 防腐处理

由于风电机组设备的部分安装部位暴露在外，特别是海上风电机组，长期工作在海上腐蚀性盐雾环境下，必须严格保证密封质量。要求对偏航、变桨轴承的齿面、滚道以及其他表面零件进行防腐处理。一般先进行喷砂，再进行热喷镀（镀锌或镀铬）。必要时可在镀锌层外侧采取涂漆保护措施。

三、结论

在风机轴承的研制中，主要的技术难点是实现长寿命所需的密封结构和润滑脂、特殊的滚道加工方法和热处理技术、特殊的保持架结构设计和加工制造方法等。目前，仍存在以下问题：国内技术水平与国外先进水平差距较大。不过，近年来，我国一些研究单位在这些方面取得了一些突破。这些研究成果必将加速风电机组轴承的国产化进程。过程。笔者综述的关键技术点仅作为起点，启发从事风电轴承设计开发人员的思考，引起关注，以帮助国内风电轴承的研发和自主创新。风电轴承。