王建梅　羅永成

（太原科技大學，重型機械教育部工程研究中心）

【摘　要】風電機組越來越趨于大型化，主軸軸承是傳動鏈的主要承載部件，在風機安全穩定運行中發揮了至關重要的作用。本文簡要概述了主軸軸承不同支承配置方式的承載特點，提出了未來軸承的發展趨勢，為軸承研發以及選型設計提供了參考。

【關鍵詞】風電機組；主軸承；配置方式 ；發展趨勢

引言

隨著風電行業的快速發展，風電機組更加趨向大型化、智能化、高塔化[1]。風電機組主軸承是主傳動鏈系統的關鍵部件，不僅承受外部風載傳輸來的載荷，而且承受主軸、齒輪箱的重力載荷，工況載荷復雜，同時需要保證至少20年的使用壽命，對軸承的設計、選型提出了更高的要求。為了提高軸承的使用壽命，學者們從不同角度對軸承進行了研究。徐芳[2]等人建立了風力發電機傳動系統齒輪軸承耦合動力學模型，模擬得到了各軸承的動態接觸力。Chang Y H[3]等人提出了一種并行卷積神經網絡（C-CNN）,能夠很好地判別軸承故障信號。Wildinson[4]設計了一種故障診斷實驗平臺，通過分析扭矩、速度、振動等信號，判斷主軸承以及齒輪箱的工作狀況。米良[5]等人基于泊松隨機過程分析了隨機變幅載荷作用下的風力發電機葉片壽命。高聰穎[6]等人簡單介紹了風力發電機變槳軸承的載荷譜處理方法。安宗文[7]等人分析了1.5MW風機葉片載荷，利用多軸算法預測了葉片疲勞壽命。風力發電機固定端軸承與基座為過盈配合，過盈配合對軸承壽命具有很大的影響。寧可[8,9]等人基于厚壁圓筒理論研究得到了結合壓力與過盈量之間的關系，并有效提高了風電機組鎖緊盤的可靠性。Bai Z[10]等人研究了考慮離心力以及溫度影響的多層過盈配合接觸壓力算法。Xia Q[11]等人從材料學的角度分析了多層金屬復合材料的結合性能。王建梅[12]等人采用解析算法與有限元數值方法對比分析了多層過盈配合的接觸壓力。ZhuoY[13]等人建立雙列調心球軸承三自由度模型，研究軸承在啟動和旋轉中的動力學行為。秦大同[14]等人建立了風電行星齒輪系統的動力學模型，分析了軸承時變剛度對系統的影響。Jones[15]將擬靜力模型的理論基礎用于深溝球軸承，分析軸承在受到任意方向載荷時軸承滾動體與內外圈接觸面的受力分布和變形程度。Andreason[16]考慮圓錐滾子軸承內外圈偏移量，研究低速旋轉下軸承內外圈、滾子的變形。Liu[17]在前人的基礎上研究高速旋轉軸承，考慮了滾子的離心效應和陀螺力矩的影響，分析了軸承載荷分布和應力變形。Shelofast[18]研究了調心滾子軸承的接觸問題，將載荷施加在滾動體上，建立平衡方程求解滾子的位移，確定了軸承出現故障的位置。

本文對目前各大主機廠商采用的主軸軸承布置方式進行簡要概述，同時提出了未來軸承的發展趨勢，為軸承研發以及選型設計提供了參考。

1　主軸軸承支承方式分析

目前兆瓦級風電機組主軸軸承主要的支承方式有三種：三點式支承、兩點式支承、單點式支承[19]。其中，三點式支承方式多用于小兆瓦風機，單點式支承越來越多地應用于大兆瓦風機。三點式支承為主傳動鏈由一個主軸軸承和齒輪箱兩邊的彈性支承，兩點式支承為主傳動鏈由兩個主軸軸承支承，單點式支承為主傳動鏈由一個主軸軸承支承。各風機制造商根據風機外形、制造成本、安裝工藝等因素選擇合適的布置形式。

1.1三點式支承

主軸軸承采用一個調心滾子軸承，主軸軸承和齒輪箱兩邊的彈性支承共同承受主傳動鏈的重量以及外部風載。該布置方式結構簡單，裝配要求不高，齒輪箱兩邊的彈性支承能夠抵抗外部風載產生的彎矩。缺點是主軸動力學特性較差，系統剛性差，主軸將一部分載荷傳遞給齒輪箱，所以對齒輪箱可靠性要求較高，否者將造成齒輪箱破壞，大大增加維護成本。該布置方式一般應用于低兆瓦風電機組。

1.2兩點式支承

（1）調心滾子軸承+調心滾子軸承

輪轂側調心滾子軸承軸向浮動，只承受徑向力，齒輪箱側調心滾子軸承同時承受軸向力和徑向力。調心滾子軸承具有良好的調心性能，能夠抵消一定的安裝誤差以及主軸撓曲產生的傾斜[20]。該布置形式安裝容易，能夠抵消主軸因溫度變化而產生的軸向尺寸變化。但是該布置方式剛性較差，需要相對長的主軸來抵?風載產生的彎矩[21]，該布置方式廣泛應用于各型號兆瓦級風電機組。

（2）單列圓錐滾子軸承+單列圓錐滾子軸承

前后兩個單列滾子軸承采用“面對面”或者 “背對背”的安裝方式，該布置形式能夠承受較大的軸向力和徑向力，系統剛性好，動力學特性較好；缺點是軸承采用負游隙安裝，同時需要考慮溫度變化造成的應力，安裝要求較高，在風電機組的應用并不廣泛。

（3）圓柱滾子軸承+雙列圓錐滾子軸承

圓柱滾子軸承能夠承受較大的徑向力，同時能夠抵消熱脹冷縮造成主軸的尺寸變化。該布置方式軸承定位可靠，動力學特性較好，但是安裝難度較大，需要較好的對中性，通常需要一體式軸承座，前后兩個軸承外圈座孔是一次性加工完成，目前在中等兆瓦級風機上應用較多。

（4）CARB圓環滾子軸承+調心滾子軸承

CARB圓環滾子軸承是SKF軸承公司開發的一種單列軸承，滾子稍帶弧面，滾道輪廓為圓弧面，具有調心功能。該軸承只能承受徑向力，不能承受軸向力，能夠抵消溫度變換產生的線性膨脹，同時也能有效緩解主軸撓曲產生的邊緣應力，目前在英國5MW風機上應用已十分成熟，在國內應用較少。

1.3單點式支承

單點式支承大多采用雙列圓錐滾子軸承，該軸承承受所有主傳動鏈重量以及外部風載，軸承直徑較大。該布置形式能夠承受較大徑向載荷、軸向載荷以及傾覆載荷，但是成本較高，目前廣泛應用于大兆瓦風機。

2　主軸軸承發展趨勢

隨著風電行業的發展，風電機組越來越趨于大型化，對風電的可靠性、經濟性、安全性、長壽命等提出了更高的要求。根據目前風電行業目前主要的配置形式，未來風電軸承將會在設計、制造、選用、安裝、壽命預測等方面有更加深入的發展，以下從四個方面進行簡要論述。

2.1軸承材料

軸承材料對軸承承載性能以及軸承壽命具有決定性的影響。軸承材料不僅包含材料成分組成，還有材料純度、材料晶體結構等。未來國內軸承發展的趨勢一定是超純化、多量化、定量化以及低成本化[22]，提高軸承鋼產品質量穩定性，減少次品率。建立軸承熱處理數據庫，提高軸承表面改性技術，進而提高軸承使用性能。研究不同金屬成分對軸承性能的影響，提高軸承熱處理工藝，研究軸承破壞機理以及加工對軸承材料的影響機理，提高加工工藝。

2.2軸承結構

軸承一般由內外套圈、滾子和保持架組成，通過優化軸承的輪廓形狀，可以減少應力集中，優化軸承承載性能，提高軸承壽命。另外，各大公司也在積極研發新型主軸軸承，以便滿足風電機組實際工況，比如，SKF軸承公司開發的CARB圓環滾子軸承，該軸承不僅像圓柱滾子軸承一樣具有較大的承載能力，同時像調心滾子軸承一樣具有一定的調心功能。隨著滑動軸承技術的進一步發展[23]，風電機組使用滑動軸承也將成為一種趨勢。

2.3智能化軸承

隨著物聯網時代的到來，軸承智能化已經是大勢所趨。在保證軸承性能的前提下，在軸承上集成多個傳感器，如轉速、溫度、振動載荷、噪音及潤滑狀態等傳感器。目前許多學者利用時頻-能量分析，頻域分析，時頻分析和人工智能方法對風力機主軸承的信號，主要包括振動信號和定子電流信號進行了分析，能夠及早判斷軸承故障[24]，但是目前這些方法大多停留在實驗室階段。未來軸承將具有自反饋機制，能夠做到自感知、自決策以及自調控[25]，提高軸承壽命。

2.4系統柔性化

隨著計算機性能的大幅度提高，對軸承將會有更加全面的分析，如考慮軸承套圈變形對軸承載荷分布的影響。系統柔性化分析需要考慮與主軸軸承相關部件的柔性變形，系統分析軸承載荷，更加準確預測軸承壽命。

3　結語

軸承的配置方式不僅由風機安裝位置的風場條件決定，而且需要各個主機廠商根據制造技術、安裝工藝以及成本控制等因素進行選擇。本文簡要概述了主軸軸承目前主要的配置形式，并從軸承材料、軸承結構、智能化軸承、系統柔性化四個方面進行論述，提出了未來軸承的發展趨勢，為軸承研發以及選型設計提供了參考。

【參考文獻】

[1]  申屠東華,何先照,盧江躍,李晨曦,裘園.大型風電機組傳動系統支撐方式特性分析[J].裝備制造技術,2019(01):129-133.

[2]  徐芳,周志剛.隨機風作用下風力發電機齒輪傳動系統動載荷計算及統計分析[J].中國機械工程,2016,27(03):290-295.

[3]  Chang Y, Chen J, Qu C, et al. Intelligent fault diagnosis ofWind Turbines via a Deep Learning Network Using Parallel Convolution Layerswith Multi-Scale Kernels[J]. Renewable Energy, 2020: 205-213.

[4]  Wilkinson M R , Tavner P J . Extractingcondition monitoring information from a wind turbine drive train[C].International Universities Power Engineering Conference. IEEE, 2004.

[5]  米良,程珩,權龍.基于泊松隨機過程的風力發電機葉片疲勞壽命估算[J].機械工程學報,2016,52(18):134-139.

[6]  高聰穎,王宇炎,李云峰.風力發電機變槳軸承載荷譜的處理[J].軸承,2012(10):19-20.

[7]  安宗文,楊曉璽,寇海霞.1.5 MW風電葉片多軸疲勞壽命分析[J].太陽能學報,2020,41(05):129-135.

[8]  寧可,王建梅,姜宏偉.多層過盈聯接的可靠性穩健設計研究[J].機械設計,2018,35(12):82-88.

[9]  Ning K, Wang J, Jiang H, et al. Multiobjective intelligentcooperative design for the multilayer interference fit[J]. MathematicalProblems in Engineering, 2019.

[10]Bai Z, Wang J, Ning K, et al. Contact pressure algorithm ofmulti-Layer interference fit considering centrifugal force and temperaturegradient. Appl Sci 2018; 8(5): 726.

[11]Xia Q, Wang J, Yao K, et al. Interface bonding properties ofmulti-layered metal composites using material composition method. TribologyInternational 2019; 131: 251-257.

[12]王建梅,陶德峰,黃慶學.多層圓筒過盈配合的接觸壓力與過盈量算法研究[J].工程力學,2013,30(09):270-275.

[13]Zhuo Y, Zhou X, Yang C. Dynamic analysis of double-rowself-aligning ball bearings due to applied loads, internal clearance, surfacewaviness and number of balls[J]. Journal of Sound and Vibration, 2014,333(23):6170-6189.

[14]秦大同,楊軍,周志剛,陳會濤.變載荷激勵下風電行星齒輪系統動力學特性[J].中國機械工程,2013,24(03):295-301.

[15]Jones A B. Ball motion and sliding friction in ball bearings[J].trans ASME, 1959.

[16]Andreason S. Load distribution in a taper roller bearingarrangement considering misalignment[J]. Tribology, 1973, 6(3) :84-92.

[17]Liu，Y，J. Analysis of tapered roller bearings considering high speed andcombined loading [J]. Journal of Lubrication Technology, 1976, 98(4):564-572.

[18]Shelofast, Statics and friction moment in nonideal sphericalroller bearing, Trenie ILznos, V 19, n2, Mar-April, 1998：194-199.

[19]俞黎萍,石亦平,劉瑞峰.風電機組主軸承選型與設計分析[J].重慶大學學報,2015,38(01):80-86.

[20]洛陽軸研科技股份有限公司.全國滾動軸承產品樣本:第二版.[M].北京：機械工業出版社，2012.

[21]李達,姜宏偉,寧文鋼,王岳峰.風電機組調心滾子主軸軸承匹配設計技術研究[J].機械管理開發,2020,35(10):1-3.

[22]李昭昆,雷建中,徐海峰,俞峰,董瀚,曹文全.國內外軸承鋼的現狀與發展趨勢[J].鋼鐵研究學報,2016,28(03):1-12.

[23]王建梅,黃慶學,丁光正.軋機油膜軸承潤滑理論研究進展[J].潤滑與密封,2012,37(10):112-116.

[24]Liu Z , Zhang L . A review of failure modes, conditionmonitoring and fault diagnosis methods for large-scale wind turbinebearings[J]. Measurement, 149.

[25]朱永生,張盼,袁倩倩,閆柯,洪軍.智能軸承關鍵技術及發展趨勢[J].振動.測試與診斷,2019,39(03):455-462+665.

（來源：中國軸承工業協會）