隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的不斷提高，以往在主軸支撐結(jié)構(gòu)中使用較多的調(diào)心滾子軸承正在逐漸地被圓錐滾子軸承方案所取代。常見(jiàn)的圓錐滾子軸承方案有三種，分別是雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承方案，兩個(gè)單列圓錐滾子軸承配合使用方案以及一個(gè)超大圓錐滾子軸承方案。這三種方案具有一定的共性，但又各自具有不同的特點(diǎn)，因此適用于不同的主軸設(shè)計(jì)思路。本文通過(guò)比較的方法闡述了這三種圓錐滾子軸承方案的特點(diǎn)以及在軸承選型分析時(shí)需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)。
雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承方案
1. 布置結(jié)構(gòu)
這種方案被廣泛地應(yīng)用于兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的主軸支撐結(jié)構(gòu)中，常見(jiàn)的布置形式有兩種：圓錐滾子軸承布置于上風(fēng)向位置，圓柱滾子軸承布置于下風(fēng)向位置；圓錐滾子軸承布置于下風(fēng)向位置，圓柱滾子軸承布置于上風(fēng)向位置。無(wú)論哪一種布置形式，一般圓錐滾子軸承都作為固定端支撐而承受軸向力，而圓柱滾子軸承則作為浮動(dòng)端吸收軸向熱膨脹。圓錐滾子軸承被布置于上風(fēng)向時(shí)，由于其不僅要承受很大的徑向力還要承受軸向力，所以軸承所需的承載能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下風(fēng)向的圓柱滾子軸承。因此軸承的成本相對(duì)較高，但是圓錐滾子軸承可以采用預(yù)緊也即負(fù)游隙從而使得輪轂端的剛性得到提高。
2. 游隙及錐角的選擇
這種方案比較常見(jiàn)的組合是NU/NNU型圓柱滾子軸承加上雙內(nèi)圈型圓錐滾子軸承，有時(shí)也會(huì)采用NJ型圓柱滾子軸承。雙列圓錐滾子軸承其兩排滾子間的載荷分配一般都不是均勻的，承受外部軸向力的一列受力要大很多，相應(yīng)地疲勞壽命也會(huì)小很多，適當(dāng)減小游隙可以在一定程度上避免這種情況的發(fā)生。圖1和圖2所示為某1.5MW風(fēng)機(jī)同一工況下不同游隙所形成的承載區(qū)比較。這種方案采用的圓錐滾子軸承的錐角一般都比較小，原因在于相同尺寸下縮小錐角可以提高軸承的徑向承載能力。另外，軸承采用小的錐角可以減少雙列圓錐滾子軸承發(fā)生單列承載情況的概率。
3. 軸承跨距的選擇
無(wú)論是圓柱滾子軸承還是雙列圓錐滾子軸承，它們的載荷支撐點(diǎn)理論上都位于軸承的中心位置，因此采用該方案的主軸支撐結(jié)構(gòu)載荷作用點(diǎn)跨距等于浮動(dòng)端和固定端軸承間的距離（圖3）。方案中軸承支承點(diǎn)跨距和所需軸承自身的內(nèi)外徑以及錐角沒(méi)有關(guān)系，而僅僅和軸承布置的距離相關(guān)。這就意味著在實(shí)際的主軸設(shè)計(jì)中，如果所選擇的軸承尺寸和承載能力沒(méi)有足夠大的設(shè)計(jì)余量，那么主軸必須要采用長(zhǎng)主軸的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)增加軸承之間的跨距來(lái)提升支承系統(tǒng)抗傾覆力矩的能力。
兩個(gè)單列圓錐滾子軸承方案
1. 布置結(jié)構(gòu)
這種方案在國(guó)外應(yīng)用得非常廣泛，從千瓦級(jí)風(fēng)機(jī)到兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)都有應(yīng)用，從結(jié)構(gòu)上看，這種方案又分為跨式布置和懸臂梁布置兩種形式（圖4）。功率較小的風(fēng)機(jī)通常采用跨式布置形式，其優(yōu)點(diǎn)是軸承受力較小，成本相對(duì)較低，但功率較大時(shí)隨著葉片以及輪轂尺寸的變大，主軸的加工比較困難。因此跨式布置形式雖然在國(guó)外比較常見(jiàn)，但目前國(guó)內(nèi)采用此種布置形式的并不多見(jiàn)。與之相對(duì)應(yīng)的是，采用懸臂梁布置形式時(shí)，軸承尤其是上風(fēng)向軸承尺寸較大且成本較高，但主軸加工相對(duì)要簡(jiǎn)單一些。目前所了解到的國(guó)外10MW的風(fēng)機(jī)所采用的主軸軸承支撐結(jié)構(gòu)就是懸臂梁式單列圓錐滾子軸承方案。
兩個(gè)單列圓錐滾子軸承一般采用背對(duì)背的布置形式，目的是為了提高軸承的跨距，從而降低軸承所受的載荷并提高系統(tǒng)抵抗傾覆力矩的能力，因此采用該種方案時(shí)主軸的長(zhǎng)度比第一種方案短，因此從成本角度來(lái)說(shuō)整個(gè)軸系（含軸承）的成本比第一種方案低。從選型角度來(lái)看，一般適合采用錐角略大的設(shè)計(jì)以進(jìn)一步提高有效跨距。其中下風(fēng)端軸承受力較小，所以可以采用較小的軸承以降低成本。
2. 安裝配合的要求
和前一種方案一樣，這種方案也要求采用一體式的軸承座，如果采用類似調(diào)心滾子軸承式的分體軸承座往往容易造成兩個(gè)軸承的偏心過(guò)大，從而影響軸承的使用壽命。軸承的樣本壽命計(jì)算是基于萬(wàn)分之五弧度的偏心量，就以往所作的實(shí)踐來(lái)看，如果偏心超過(guò)千分之一，則軸承的壽命將會(huì)受到明顯的影響。
該方案在選型設(shè)計(jì)時(shí)一般推薦軸孔采用較大的過(guò)盈配合，即無(wú)論軸旋轉(zhuǎn)還是軸承座旋轉(zhuǎn)，軸和孔都采用較大的過(guò)盈配合，如果采用的主軸是空心軸則過(guò)盈量要根據(jù)周環(huán)應(yīng)力的大小適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。在本文所提到的三種圓錐滾子軸承方案中，這種方案所采用的過(guò)盈量是最大的（同等尺寸下），原因在于單列圓錐滾子軸承承受徑向力之后會(huì)產(chǎn)生一定軸向分力，而且這里的錐角一般比普通應(yīng)用略大，所以軸向分力相對(duì)也比較大，因此必須要保證軸和內(nèi)圈之間以及軸承座和外圈之間具有足夠的摩擦力防止相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際選型設(shè)計(jì)中，如果沒(méi)有對(duì)這種情況進(jìn)行校核和分析，建議所有這些接觸面都要進(jìn)行硬化處理。
3. 游隙要求現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整
此種方案具有很高的經(jīng)濟(jì)性，在國(guó)外也已經(jīng)較為普遍，但目前國(guó)內(nèi)使用的并不多，其中很重要的原因就是很多設(shè)計(jì)人員擔(dān)心在進(jìn)行風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)時(shí)采用這種軸承選型后游隙調(diào)整比較困難。不可否認(rèn)，這種設(shè)計(jì)在調(diào)整游隙時(shí)具有一定的難度，但只要掌握了恰當(dāng)?shù)募记苫蛘叻椒ū憧梢钥朔?。我們和主軸設(shè)計(jì)人員交流時(shí)一般會(huì)提供兩種游隙調(diào)整或?qū)崿F(xiàn)的方法，一種是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和計(jì)算，另一種是采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)圈模塊。
這兩種方案在國(guó)外以及國(guó)內(nèi)都有應(yīng)用。實(shí)際上，由于游隙是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量調(diào)整，因此實(shí)際的裝機(jī)游隙能夠控制在一個(gè)非常小的范圍之內(nèi)。第一種方案圓錐滾子軸承安裝后游隙范圍一般在0.2～0.4mm之間，而這種方案則可以控制在0.1mm之內(nèi)，而且從實(shí)踐來(lái)看，這種方案軸承的壽命曲線相對(duì)比較平緩，所以所允許的游隙誤差也比較大。
4.關(guān)于溫差的問(wèn)題
對(duì)于這種方案，很多設(shè)計(jì)人員還有另外一個(gè)顧慮，那就是熱脹冷縮。由于風(fēng)機(jī)所處的環(huán)境溫度變化比較大，所以他們擔(dān)心在比較極端的溫度下軸承的游隙變化太大而導(dǎo)致軸承發(fā)生提前損壞。事實(shí)上，這種擔(dān)心是沒(méi)有必要的。首先必須要把環(huán)境溫度變化和軸承溫差區(qū)分開，其次要正確認(rèn)識(shí)圓錐滾子軸承布置形式對(duì)溫度敏感性的問(wèn)題。影響軸承游隙的是內(nèi)外圈的溫差而不是整體環(huán)境的溫度變化，環(huán)境溫度從常溫上升到50℃時(shí)，不僅軸會(huì)膨脹，其他的部件也會(huì)。在膨脹系數(shù)差別不大的前提下，游隙的變化不會(huì)如很多人想象的那么大。還有更重要的一點(diǎn)就是，單列圓錐滾子軸承分為背對(duì)背和面對(duì)面兩種布置形式，分別適合不同的應(yīng)用，在風(fēng)機(jī)主軸上為了提高抗傾覆力矩的能力，一般采用背對(duì)背的布置形式。這兩種布置形式下軸承的運(yùn)行游隙對(duì)溫差敏感性是完全不同的。假定在一個(gè)應(yīng)用中，有兩個(gè)錐角為23的單列圓錐滾子軸承被布置成背對(duì)背以及面對(duì)面兩個(gè)形式，假設(shè)溫差達(dá)到20℃，軸承之間距離為2m，軸承外圈平均工作點(diǎn)直徑0.9m，零部件的膨脹系數(shù)為12×E-6, 那么面對(duì)面安裝時(shí)軸向游隙的變化為0.984mm，背對(duì)背安裝時(shí)軸向游隙的變化為0.024mm，兩種不同布置形式對(duì)溫差的敏感性差別極大。
超大雙列圓錐滾子軸承方案
1. 主要特點(diǎn)
這種方案最大的特點(diǎn)就是主軸非常短，為了提高抗傾覆力矩的能力，軸承徑向直徑很大且采用的錐角也非常大（比如說(shuō)45）以此來(lái)提高軸承的兩個(gè)實(shí)際支承點(diǎn)的有效跨距。從成本角度考慮，這種方案有效縮短了主軸的長(zhǎng)度，但軸承本身的成本卻非常高。這種方案在直驅(qū)型以及混驅(qū)型風(fēng)機(jī)中比較常見(jiàn)，原因在于整個(gè)軸系傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)非常緊湊。一般情況下，軸承的游隙值采用負(fù)游隙，以實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。
2. 需要整體性分析
這種方案在確定軸承游隙時(shí)必須要考慮夾緊力以及整個(gè)系統(tǒng)剛性的影響，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)通過(guò)FEA有限元分析得到的安裝前和安裝后游隙和通過(guò)普通公式得到的安裝前和安裝后的游隙關(guān)系圖差別很大。因此在實(shí)踐中一般建議進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的FEA分析，從而得到較為準(zhǔn)確的安裝前與安裝后游隙關(guān)系圖，然后進(jìn)一步確認(rèn)安裝前的游隙。為了提高性能，我們一般建議軸承工作在負(fù)游隙范圍之內(nèi)，因此可以利用6 Sigma方法進(jìn)行尺寸公差的計(jì)算，從而得到99.73%概率下的游隙范圍值，這是對(duì)FEA分析方法的一種補(bǔ)充和驗(yàn)證。
與前面提到的兩種方案不同的是，這種方案往往把密封等很多其他的部件集成到軸承之中，因此除了正常的軸承疲勞壽命以及應(yīng)力計(jì)算之外，必須要對(duì)極限工況下軸系各個(gè)位置，尤其是密封位置處變形等進(jìn)行評(píng)估。
在很多情況下，這種方案的軸承座或者主軸被螺栓所取代，一方面使得結(jié)構(gòu)更為緊湊，另一方面徹底消除了跑圈的可能性，但在進(jìn)行軸承分析時(shí)要考慮到螺栓對(duì)于軸承的影響。
這三種方案是風(fēng)機(jī)主軸上常見(jiàn)的圓錐滾子軸承選型方案， 它們各有特點(diǎn)，適合于不同的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)思路。在三種方案進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比的表格中，主要突出各種方案的最重要的特點(diǎn)。在實(shí)際的選型設(shè)計(jì)時(shí)，可以參考表一進(jìn)行方案的初始選擇。
