隨著新能源應(yīng)用的發(fā)展，作為新能源中開發(fā)較早的風(fēng)能，在電網(wǎng)中占據(jù)了越來越大的比重。同時(shí)，越來越多的制造商開發(fā)了各種不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主機(jī)，為了增強(qiáng)其產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，從傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)的改進(jìn)，到各種零部件不同功能的考慮，都成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)主機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)的不同考慮因素。
圖1 SKF公司研發(fā)的NautilusTM軸承
作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要零部件，軸承的選用一直是主機(jī)生產(chǎn)廠商最關(guān)心的問題，不論是軸承本身的設(shè)計(jì)，還是軸承配置的選擇，都決定著風(fēng)力發(fā)電機(jī)主機(jī)的運(yùn)行性能及使用壽命。
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，主機(jī)維修成本較高，保證其運(yùn)行的可靠性，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命，一直都是困擾主機(jī)制造商的重要問題。其中軸承的應(yīng)用對(duì)主機(jī)效率的影響極為重要。因此，基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的復(fù)雜性，SKF專門為其并開發(fā)了一種特殊的軸承，即“NautilusTM”軸承——一種具有特殊的大接觸角的雙列圓錐滾子軸承(圖1)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)主機(jī)軸承配置
傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承配置為雙軸承支撐。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理，傳動(dòng)鏈通常采用如下設(shè)計(jì)：主軸、齒輪箱(增速箱)和發(fā)電機(jī)。在主軸上，采取雙軸承的配置是比較傳統(tǒng)且比較常用的形式，采用的軸承類型根據(jù)設(shè)計(jì)要求的不同而有所不同，但通常較為傳統(tǒng)的軸承配置為球面滾子軸承配置或圓錐滾子軸承配置。
雙軸承配置的好處在于主軸軸承承受了大部分復(fù)雜的風(fēng)力載荷，除扭矩外，基本上沒有其他載荷會(huì)傳遞到傳動(dòng)鏈的齒輪箱里，給齒輪箱的設(shè)計(jì)帶來了極大便利。但這種配置也有其自身的缺點(diǎn)，比如傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，除主軸長(zhǎng)度外，還要考慮主軸與齒輪箱連接的聯(lián)軸器的長(zhǎng)度。因此，在小功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，這種配置比較常見。在大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，過長(zhǎng)的傳動(dòng)鏈則意味著更大的體積以及更高的制造成本。
圖2 不同軸承配置的功率比較
現(xiàn)最新的主軸軸承配置解決方案為單軸承支撐。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展，大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，較高的能量密度也成為各主機(jī)制造商爭(zhēng)相追趕的目標(biāo)，給軸承設(shè)計(jì)帶來了極大挑戰(zhàn)。
在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)里，要保證有足夠的載荷能力承受較大的風(fēng)力載荷。因此，主軸，包括軸承的尺寸勢(shì)必要增大，而這必定會(huì)造成主機(jī)整體重量的增加，隨之而來的則是主機(jī)相關(guān)部件，包括塔架等零部件制造成本的增加。那么是否有能夠在提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的同時(shí)還能減輕重量并降低整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造成本呢?這成為主機(jī)廠商和零部件廠商所面臨的日益緊迫的問題，因?yàn)槌杀镜南陆担馕吨a(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的提高。基于以上種種目的，SKF專門為大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)開發(fā)了大接觸角的圓錐滾子軸承(圖2)。
NautilusTM軸承的
突出特性
該軸承為背對(duì)背配置的圓錐滾子軸承，擁有較大的接觸角(45??)。其不僅讓單軸承的主軸配置成為可能，同時(shí)大大縮短了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度，使緊湊型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)成為可能。當(dāng)然，特殊的設(shè)計(jì)同樣保證了軸承或者說傳動(dòng)系統(tǒng)的所有功能。
1.較大的接觸角
傳統(tǒng)的配對(duì)(或者雙列)圓錐滾子軸承，接觸角一般只有20??左右，在保證其較大的徑向承載能力以外，軸承的軸向承載能力以及承受傾覆力矩的能力都有一定的限制。因此，在一根主軸上要保證設(shè)計(jì)能夠滿足應(yīng)用的要求，必須要有另外一個(gè)軸承作為第二個(gè)支點(diǎn)承受另外的徑向力，而且兩個(gè)軸承的配置，才能滿足整個(gè)軸在受到傾覆力矩時(shí)，不會(huì)發(fā)生變形。
而Nautilus軸承突破了傳統(tǒng)接觸角的設(shè)計(jì)，將每個(gè)單列軸承的接觸角放大到45??。與傳統(tǒng)的雙軸承配置相比較，Nautilus軸承兩個(gè)單列軸承接觸點(diǎn)的連線間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般圓錐滾子軸承，這兩個(gè)接觸點(diǎn)連線的交點(diǎn)可以作為整個(gè)軸系中的兩個(gè)焦點(diǎn)，成為支撐軸系運(yùn)行的作用點(diǎn)。
2.分段式的工程塑料保持架
除較大的接觸角外，該軸承另一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是采用了分段式工程塑料保持架。對(duì)于軸承的內(nèi)部部件來說，滾動(dòng)體是重要的承載部件，而保持架除保持滾動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)外，還有分隔滾動(dòng)體避免其相互間產(chǎn)生摩擦的功能。保持架不是一個(gè)受力元件，不能承受任何形式的外力。因此，其往往采用較輕的材料來生產(chǎn)，同時(shí)，保持架材料要滿足另一個(gè)要求，即足夠的強(qiáng)度。由于保持架在軸承運(yùn)行中的旋轉(zhuǎn)所需要的動(dòng)力是由滾動(dòng)體所提供的，因此，保持架的材料需要一定的強(qiáng)度來保證其正常的運(yùn)行。
對(duì)于SKF Nautilus軸承來說，為了保證接觸角連線足以承受系統(tǒng)中的受力，軸承的尺寸往往都很大，目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的是直徑為2~2.5 m的軸承產(chǎn)品。因此，降低軸承本身重量成為其設(shè)計(jì)中亟待突破的技術(shù)難題。作為承載部件的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體，為要保證軸承的承載能力，在選材上不能有絲毫馬虎。SKF Nautilus軸承采用的工程塑料，不僅能保證足夠的強(qiáng)度，而且重量較輕，保證了軸承的旋轉(zhuǎn)性能，同時(shí)降低了軸承內(nèi)部的摩擦。
分段式設(shè)計(jì)是SKF Nautilus軸承另一大特色(圖3)。在該軸承中四五個(gè)滾動(dòng)體共用一個(gè)保持架組件，而各保持架組件之間沒有任何其他鏈接。如果在該軸承中使用傳統(tǒng)的一體式保持架，由于尺寸過大，保持架本身的重量就會(huì)使其發(fā)生變形，在軸承運(yùn)行過程中，這種變形會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)體與保持架的額外接觸，產(chǎn)生額外摩擦。這不僅會(huì)增加軸承的運(yùn)行溫度，而且摩擦對(duì)保持架和滾動(dòng)體材料的磨損也會(huì)導(dǎo)致保持架甚至滾動(dòng)體的變形，最終影響軸承的承載能力甚至使用壽命。
圖3 保持架組件之間不連接
分段式保持架，每個(gè)組件的個(gè)體都很小，即使很多組件放在一起，也不會(huì)產(chǎn)生變形。同時(shí)，由于每個(gè)組件只有四到五個(gè)滾動(dòng)體，因此，保持架所產(chǎn)生的摩擦也會(huì)被降低到最小范圍內(nèi)。
3.應(yīng)用特點(diǎn)
Nautilus軸承現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，取代了雙軸承設(shè)計(jì)，縮短了傳動(dòng)鏈的尺寸。那么這種應(yīng)用到底能帶來什么好處，在應(yīng)用中又會(huì)產(chǎn)生哪些問題呢?
傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸的設(shè)計(jì)，其軸承的受力分工一般是固定端的軸承承受所有的軸向載荷和部分徑向載荷，而另一個(gè)軸承作為浮動(dòng)端承受部分的徑向載荷。風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力載荷的大小決定了所需軸承的尺寸，而軸承尺寸則決定了兩軸承間的距離，也決定了整個(gè)傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度。
單軸承(Nautilus)設(shè)計(jì)是在保證同樣軸承受力條件下，由一個(gè)軸承承受所有的軸向和徑向載荷，縮小了整個(gè)傳動(dòng)鏈的尺寸。單軸承設(shè)計(jì)中除需考慮內(nèi)部預(yù)緊力外，對(duì)于軸承的應(yīng)用來講，與雙軸承沒有任何區(qū)別。而且單軸承特殊的保持架設(shè)計(jì)，使其在脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑條件下都具有非常好的運(yùn)行性能。
在主軸上只有一個(gè)軸承，卻要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸承的作用，那么，這個(gè)軸承的剛度就成為在軸承設(shè)計(jì)中必須考慮的關(guān)鍵因素。Nautilus軸承的內(nèi)圈為兩個(gè)分離的部件，通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的校核，在生產(chǎn)中將軸承的內(nèi)部游隙設(shè)計(jì)到理想范圍，在軸承安裝后，就能達(dá)到最優(yōu)化的預(yù)緊力，簡(jiǎn)化軸承的安裝過程，同時(shí)滿足軸承正常運(yùn)行的需要。
圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)
在早期的市場(chǎng)上，為了滿足單軸承的設(shè)計(jì)要求，通常采用的軸承為三列圓柱滾子軸承。該軸承的設(shè)計(jì)類似于回轉(zhuǎn)支承，一列滾動(dòng)體(類似于圓柱滾子軸承)承受所有的徑向力，另外兩列滾動(dòng)體(類似于滾子推力軸承)承受系統(tǒng)中的雙向軸向力。該軸承似乎可以滿足單軸承配置的一些功能，但通過軸承運(yùn)行的分析發(fā)現(xiàn)作為推力軸承功能的兩列滾動(dòng)體在軸承做整圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體的兩個(gè)端面不能達(dá)到同樣的線速度，這就意味著在軸承運(yùn)行過程中存在大量的滑動(dòng)摩擦。而作為滾動(dòng)軸承，滑動(dòng)摩擦是要極力避免的，因?yàn)樗粌H會(huì)帶來更多的軸承發(fā)熱，同時(shí)滑動(dòng)摩擦的潤(rùn)滑在軸承潤(rùn)滑中也是非常棘手的一個(gè)問題。由于設(shè)計(jì)上的一些問題，該軸承現(xiàn)在已不能滿足日益走向大功率化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的需求。
不同設(shè)計(jì)保持架的比較
除SKF Nautilus軸承的保持架設(shè)計(jì)外，市場(chǎng)上還有幾種不同的保持架設(shè)計(jì)。現(xiàn)分別比較一下幾種保持架的優(yōu)缺點(diǎn)。
圖4為金屬一體的穿銷式保持架。顧名思義，該軸承的滾動(dòng)體為通孔式設(shè)計(jì)，在滾動(dòng)體中間有一根銷子分別連接在保持架側(cè)圈的兩端。在設(shè)計(jì)上，這種軸承的滾動(dòng)體尺寸要比相同尺寸的其他軸承大得多，因?yàn)椴粌H要滿足足夠的承載能力，還要在滾動(dòng)體內(nèi)部開一個(gè)通孔以便穿銷式保持架的安裝。另外，滑動(dòng)部件的潤(rùn)滑是一個(gè)很重要的問題，這在上文中已經(jīng)提及。該軸承滾動(dòng)體內(nèi)孔與保持架穿銷之間全部都是滑動(dòng)摩擦，不僅潤(rùn)滑問題不好解決，它所帶來的軸承發(fā)熱也是必須要關(guān)注的問題。
另一種典型設(shè)計(jì)是沒有保持架的滿滾子軸承設(shè)計(jì)。當(dāng)然，從主軸軸承較低的轉(zhuǎn)速來看，滿滾子軸承所帶來的旋轉(zhuǎn)能力的下降不足以成為該軸承應(yīng)用的阻礙。但是，滾動(dòng)體之間的摩擦則是一個(gè)不可忽視的關(guān)鍵。
軸承中之所以要設(shè)計(jì)保持架，一個(gè)重要的功能就是將相鄰的兩個(gè)滾動(dòng)體分開，在軸承運(yùn)行時(shí)避免軸承滾動(dòng)體內(nèi)部的摩擦，降低摩擦及噪聲。因此，滿滾子軸承雖然具有很高的承載能力，但是在主軸軸承上，由于滾動(dòng)體內(nèi)部的摩擦其仍然不是理想的選擇。
另外，上文中提及的另一種保持架設(shè)計(jì)，即與傳統(tǒng)軸承相似的一體式保持架。在SKF Nautilus軸承中沒有選擇一體式保持架，主要是由于其尺寸過大，自身重量會(huì)引起保持架的變形，帶來更多的滾動(dòng)體與保持架之間的摩擦。此外，作為產(chǎn)生能源的設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題就是提高能量密度，最大化的降低其零部件的能量損失。從此角度出發(fā)，一體式保持架也有著局限性。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因其特殊的應(yīng)用工況，對(duì)零部件的選擇至關(guān)重要。據(jù)研究報(bào)告顯示，到2012年，風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量將由2007年的90?000 MW上升至290?000?MW。風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商及運(yùn)營(yíng)商，都越來越傾向于高可靠性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主機(jī)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的平衡。
