摘要：隨著風電產業的發展，市場上供應的風電機組的功率等級基本上是兆瓦級，而且功率呈現增長趨勢。介紹了兆瓦級風電機組3點支承和2點支承的主軸軸承設計，其中2點支承的主軸軸承方案包括7種結構形式，對各種結構形式進行了介紹，并對其優缺點進行了分析，為兆瓦級風電機組主軸軸承設計選型提供了參考。

　　風電機組主軸軸承是風電機組的核心部件，由于其所使用的環境惡劣(腐蝕、風沙、潮濕和低溫)、受載情況復雜以及安裝維護不便，所以應對主軸軸承的設計和選型進行充分的分析和論證，確保其在20年壽命內能安全可靠地運行。沈德昌等指出，軸承是風電機組中的薄弱環節，也是風電機組的主要故障點之一。很多實際經驗告訴我們，設計初期方案的確定和選型會對軸承的故障產生巨大的影響。

　　目前，用于兆瓦級風電機組的主軸軸承的形式主要有3點支承的軸承設計和2點支承的軸承設計，其中3點支承的軸承方案主要是球面滾子軸承與2個圓柱滾子軸承的組合，而2點支承的軸承方案又分為球面滾子軸承與調心滾子軸承組合、球面滾子軸承與圓柱滾子軸承組合、雙列圓錐滾子軸承與圓柱滾子軸承組合、2個單列圓錐滾子軸承組合(又分長軸和短軸這2種設計方案)、面對面的雙列圓錐滾子單軸承以及集成設計。

　　3點支承的軸承結構一般為在風輪側設計為獨立軸承室，軸承室內安裝1個球面滾子軸承，主軸與齒輪箱采用脹緊套連接，2個圓柱滾子軸承安裝在齒輪箱內，而齒輪箱采用扭力臂進行支承，其結構如圖1所示。

　　這種軸承結構的優點是軸承本身的設計和制造的難度小，可以承受齒輪箱所要求的較大偏轉角。其缺點如下：

　　2)主軸承上沒有預緊力，加載后軸向位移相對較大，同時由于沒有預緊力，單個滾子可能存在不轉動的情況，從而導致滑動，這樣會產生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命;

　　球面滾子軸承+調心滾子軸承的結構形式一般為主軸被2個軸承支承，靠近風輪側的主軸承為球面滾子軸承，而靠近齒輪箱側的主軸承為調心滾子軸承，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯接，其結構如圖2所示。

　　這種軸承結構的優點是沒有或較少的載荷作用在齒輪箱上，同時依靠扭力臂來承受較小的變形，并且裝配比較簡單。其缺點如下：

　　2)主軸承上沒有預緊力，受載后軸向位移相對較大，同時由于沒有預緊力，單個滾子可能存在不轉動的情況，從而導致滑動，這樣會產生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命;

　　球面滾子軸承+圓柱滾子軸承的結構形式一般為主軸被2個軸承支承，靠近風輪側的主軸承為球面滾子軸承，而靠近齒輪箱側的主軸承為圓柱滾子軸承，2個主軸軸承共用1個軸承室，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯接，其結構如圖3所示。

　　這種軸承結構的優點是沒有或較少的載荷作用在齒輪箱上，同時依靠扭力臂來承受較小的變形，并且裝配比較簡單。其缺點如下：

　　2)主軸承上沒有預緊力，受載后軸向位移相對較大，同時由于沒有預緊力，單個滾子可能存在不轉動的情況，從而導致滑動，這樣會產生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命;

　　4)由于圓柱滾子軸承對內外圈的同軸度和相對偏斜較敏感，在設計或者裝配不良的情況下，球面滾子軸承的徑向游隙將導致圓柱滾子的損壞;

　　雙列圓錐滾子軸承+圓柱滾子軸承的結構形式一般為主軸被2個軸承支承，通常靠近風輪側的主軸承為雙列圓錐滾子軸承，而靠近齒輪箱側的主軸承為圓柱滾子軸承，2個主軸軸承共用1個軸承室，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯接，其結構如圖4所示。

　　1)圓柱滾子軸承由于沒有預緊力，單個滾子可能存在不轉動的現象，從而導致滑動，這樣會產生非常大的尖峰載荷，影響軸承的壽命，對于3MW以上的機組所用的圓柱滾子軸承，滾子質量和慣性力大，圓柱滾子軸承由于沒有預緊力，可能會導致滾子打滑損壞，出現微點蝕的可能性較大;

　　2個小直徑的單列圓錐滾子軸承的結構形式一般為主軸被2個圓錐滾子軸承支承，2個主軸軸承共用1個軸承室，主軸一般為直徑較小且長度較長的結構，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯接，其結構如圖5所示。

　　5)由于2個軸承一般處于預緊狀態，因此軸系的整體剛度相對較大，在較大的動態載荷作用下，軸系的結構變形相對較小，能夠承受較大的動態載荷。

　　2個大直徑的單列圓錐滾子軸承的結構形式一般為主軸被2個大直徑的圓錐滾子軸承支承，2個主軸軸承共用1個軸承室，主軸一般為直徑較大且長度較短的結構，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯接，其結構如圖6所示。

　　5)由于該種配置一般選用較小的滾子接觸角小，因此動軸和定軸之間的溫差、溫度變化以及裝配誤差等問題對軸系的預緊影響相對較小，軸承壽命受環境和裝配誤差影響較小;

　　2)軸承對溫度的變化比較敏感，但對于主軸軸承，由于轉速比較低，溫度變化比較小，所以影響也比較小;

　　單軸承的結構形式一般為主軸被1個大直徑的圓錐滾子軸承支承，主軸一般為直徑大且比較短的結構，齒輪箱和主軸之間的連接采用脹緊套或螺栓聯接，其結構如圖7所示。

　　1)隨著功率等級的增加，軸承的直徑會越來越大，例如6 MW容量等級的機組單軸承的軸承外徑達到3.6m，很少有軸承廠家能夠加工制造，因此價格比較高;

　　2)由于軸承直徑較大，因此軸承密封設計較困難，常規設計不能達到較好密封效果，軸承密封成本較高;

　　4)滾子類似于圓柱，預緊力較小時會存在扭轉的情況，導致所有的載荷作用在1個轉子單元上，從而導致其損壞。

　　集成設計的結構形式為主軸被2個單列圓錐滾子軸承承撐，2個軸承共用1個軸承室，齒輪箱和主軸之間采用過盈配合或花鍵聯接，軸承室與齒輪箱的箱體通過螺栓聯接在一起，也就是說主軸系與齒輪箱集成在一起，其結構如圖8所示。

　　5)因為齒輪箱與主軸系集成為一體，所以主軸承可采用油潤滑，降低主軸潤滑的污染情況，改善軸承的潤滑，對軸承的壽命有利。

　　3)軸承對溫度的變化比較敏感，但對于主軸軸承，由于轉速比較低，溫度變化比較小，所以影響也比較小。

　　叁上述詳細列舉了兆瓦級風電機組主軸承的幾種主要布置形式及軸承的選型配置，并分析了其優缺點，為兆瓦級風電機組主軸軸承的設計選型提供了參考。

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