1、風電定位軸承設(shè)計
下圖1為風電典型的定位軸承設(shè)計，使用定位軸承的軸承布置時，定位軸承應(yīng)固定在軸的右端，支承來自齒輪的徑向載荷和推力載荷，而NU型CRB軸承在另一側(cè)作為浮動端軸承。定位軸承是一種高性能、雙向的軸承，它取代了CRB軸承和FPCBB軸承組合。它也可是另一種解決方案，以替代某些設(shè)計中所采用的交叉定位的單列軸承布置或稱雙列2TS—DMTRB軸承布置。這種軸承在單列圓錐滾子軸承基礎(chǔ)上，在外圈處附加一擋環(huán)。
圖1 典型的定位軸承的設(shè)計
圖2說明了定位軸承是如何雙向地支承著推力載荷。以粗箭頭線表示的主要推力是載荷譜中99%以上的時間正向的扭矩狀態(tài)下來自斜齒輪產(chǎn)生的軸向力。在正向扭矩狀態(tài)期間，載荷的支承是通過軸承滾道實現(xiàn)的，而圓錐滾子軸承的特殊結(jié)構(gòu)可使?jié)L子純滾轉(zhuǎn)運動，很好地承受復合載荷，且滾子不產(chǎn)生任何球軸承會產(chǎn)生的微小滑移。
然而，高壓電網(wǎng)或發(fā)電機的臨時故障，以及在實施制動程序期間的共振，會迫使驅(qū)動機扭矩和齒輪在短時間內(nèi)產(chǎn)生反向軸向力。另外，也有其他的情況，如：當發(fā)電機當作電動機使用，為便于維護而在低速下驅(qū)動透平轉(zhuǎn)子時;以及在臨界速度下的低速風時。所有以上這些條件都需要定位軸承支承在次要方向上，以細箭頭線(見圖3)表示的軸向載荷。這一次要軸向載荷通過滾子的大、小端傳向內(nèi)圈擋邊、外圈擋環(huán)。
圖2 載荷分配
2、風電定位軸承的結(jié)構(gòu)
標準的定位軸承的保持架是上中心線形式，該保持架將滾子限定在內(nèi)圈上。另一方面，定位軸承也可使用下中心線保持架，該保持架將滾子限定于外圈。這一配置可配備兩個獨立的擋環(huán)，如圖3所示。哪種結(jié)構(gòu)更適合，在很大程度上取決于齒輪箱裝備工序，且當重型中
間軸是豎直裝入箱體就位時，這種結(jié)構(gòu)特別有用。
圖3 帶有兩個可拆卸的擋邊擋環(huán)
高速軸常會碰到使用中的維護，且其也頻繁。在維護期間，完整的輸出軸組件及所附的定位軸承可以滑出箱體，相似于現(xiàn)今進行日常維護。
3、風電定位軸承的特點
風電定位軸承的主要特點和益處為：減少了軸向空間。單列軸承替代了常規(guī)雙列軸承布置，減小了設(shè)計空間，因而，也降低了重型齒輪箱箱體要求的長度和重量，與現(xiàn)行的設(shè)計結(jié)構(gòu)相匹配。在360°載荷區(qū)工作的定位軸承具有對中特性，因而改善了齒輪接觸定位。降低系統(tǒng)的成本。減少了應(yīng)力，提高了軸承的壽命。在正常運行期間即正向扭矩期間，軸承在360°載荷區(qū)運行，所有滾子都與滾道相接觸受力如圖4所示。
圖4 360°載荷區(qū)
根據(jù)齒輪系統(tǒng)引起的徑向載荷(Fr)和軸向載荷(Fa)兩者的比率關(guān)系，可以對滾道/滾子的接觸角度進行優(yōu)化。在軸承設(shè)計時要做到由定位軸承產(chǎn)生的誘導軸向力總比齒輪推力小些。由于軸承的反作用力和齒輪軸向的比率在負荷周期內(nèi)保持不變，因此, 齒輪軸向力總
是足以定位圓錐滾子，如圖5所示。同時在外圈的任意一側(cè)都可提供較小的法蘭，以防止在組裝時出現(xiàn)反向裝配的可能性，如圖6所示。
圖5 定位軸承的載荷區(qū)
圖6 帶有定位法蘭的軸承
軸承游隙在制造時就精確地設(shè)置，因此，在裝配時，無需進行軸承游隙的手動調(diào)節(jié)。實際應(yīng)用時，必須精確地控制軸承的徑向間隙范圍或軸承中的軸向游隙，以確保在所有的操作載荷和溫度條件的范圍內(nèi)，保持適當?shù)倪\行游隙。由于固定端的定位軸承是與浮動端的NU型CRB軸承聯(lián)合使用的，因此，不需為了保持適當?shù)倪\行間隙而進行手動調(diào)節(jié)。
典型的分析表明：對于既支承徑向載荷又支承軸向載荷的、載荷區(qū)為 360°的定位軸承，其接觸應(yīng)力小于1300 MPa(與僅承受軸向載荷的FPCBB軸承相同)，但比僅承受徑向載荷的、但較小載荷區(qū)的CRB軸承的應(yīng)力要小得多，如圖7所示。
圖7 接觸應(yīng)力的比較
4、風電定位軸承的限制
風電齒輪箱通常會出現(xiàn)軸承和齒輪受到過早損壞和疲勞，這種損壞和疲勞現(xiàn)象緣于雜質(zhì)硬粒對關(guān)鍵的接觸表面產(chǎn)生的壓痕。由于輸出軸經(jīng)受更多的轉(zhuǎn)動沖擊，該軸的軸承甚至因雜質(zhì)的影響而更加容易受到損壞。因此，為了提高輸出軸的可靠性，定位軸承可配備抗雜質(zhì)的軸承材料，并對滾子表面涂以ES300涂層，使其可靠性達到最大化。圖8表示了這樣一組、具有統(tǒng)計意義的試驗結(jié)果，當涂覆了ES300涂層時，軸承壽命可提4.5倍。
圖8 疲勞壽命試驗結(jié)果：ES300技術(shù) |
