風電變槳軸承摩擦力矩的測量

劉靜

(洛陽LYC軸承有限公司 技術中心, 河南 洛陽 471039)

風電變槳軸承是風力發電機上的重要部件，風力發電機安裝在距地面60～70 m甚至是100 m左右的高空，安裝、拆卸非常困難，要求軸承的壽命要與機組壽命相同，因此軸承必須具有非常高的可靠性，一般要求壽命為20年以上。而且風電軸承結構復雜，在裝機試驗之前必須進行模擬試驗和測試，以確保軸承設計參數的準確無誤。

由風力發電機的結構可知[1-2]，風電變槳軸承的外圈和風電機組的輪轂相連，內圈與風電槳葉連接，機組運行時，變槳減速電動機通過主軸上連接的小齒輪與變槳軸承的內齒圈嚙合，按照電控系統設定的參數調整槳葉的迎風角度，變槳軸承工作時可在±55°30′的范圍內往復擺動。風力作用在槳葉上產生的傾覆力矩、軸向分力、徑向分力和槳葉自重等產生的軸向載荷全部作用在變槳軸承上。因此，對風電變槳軸承的摩擦力矩啟動值及瞬時值的測試與分析，是判斷軸承性能優劣的重要依據。

1 軸承摩擦力矩的測試原理

1.1 摩擦力矩試驗機的結構

采用自行研制的能模擬風電變槳軸承使用環境和工況的風電軸承試驗機，其結構及組成如圖1所示。

1—變頻減速電動機；2—扭矩傳感器；3—測試軸承；4—加載臂；5—軸向加載油缸；6—徑向加載油缸；7—支撐小車圖1 風電變槳軸承試驗機簡圖

1.1.1 變頻減速電動機

變頻減速電動機通過花鍵軸與扭矩傳感器連接，直接測量并輸出實際扭矩值。花鍵軸將扭矩傳遞至一組正交錐齒輪，帶動小齒輪(根據風電機組變槳電動機主軸上連接的小齒輪的參數加工)

旋轉，由小齒輪帶動變槳軸承的內齒嚙合傳動。變槳軸承的外圈和加載臂通過高強度螺栓連接，加載臂由2輛支承小車支承，末端安裝徑向油缸和軸向油缸。試驗機不工作時，加載臂通過小車支承，工作時加載臂懸空。

變頻減速電動機功率為5.5 kW，轉速范圍為0～3 r/min，可實現變頻無級調速。通過加載臂末端的徑向油缸對軸承施加傾覆力矩和徑向分力，軸向油缸施加軸向分力并通過加載臂的重量模擬槳葉的重力，從而模擬出槳葉的實際使用工況。

1.1.2 扭矩傳感器

扭矩傳感器是試驗機非常重要的部件。其原理是將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋，向應變橋提供電源測得該彈性軸承受扭矩的電信號，再將該應變信號放大，經過壓頻轉換得到與扭應變成正比的頻率信號。

系統的能源輸入及信號輸出由2組帶間隙的特殊環型變壓器承擔，實現無接觸的能源及信號傳遞功能。扭矩傳感器輸出的頻率信號在零點時為10 kHz，正向旋轉滿量程時為15 kHz，反向旋轉滿量程時為 5 kHz，即滿量程變量為5 000個。扭矩傳感器精度可達±0.2%～±0.5%。由于傳感器輸出為頻率信號，無需A/D轉換即可直接送至計算機進行數據處理。

1.2 測量原理

假設與變槳軸承相連接的小齒輪齒數為Z1、轉速為n1，被測變槳軸承齒數為Z2、轉速為n2，傳動的一對正交錐齒輪的傳動比為1∶1，則Z1/Z2=n2/n1。通過與變頻減速電動機相連接的扭矩傳感器可以測試出驅動軸承轉動所需的驅動扭矩T1(即扭矩傳感器上的輸出值)，設被測軸承的摩擦力矩為T2，則有T1/T2=n2/n1,由此可得T2=(T1Z2)/Z1。

將變槳軸承安裝在軸承試驗機上，開啟工控機，在人機界面上輸入需要模擬的徑向和軸向油缸的壓力及時間，啟動液壓缸模擬加載最大可達4 000 kN·m的傾覆力矩和徑向分力，同時加載最大可達800 kN的軸向分力，再啟動變頻驅動電動機及扭矩傳感器工作。此時顯示器上可顯示被測軸承的加載曲線和摩擦力矩曲線，顯示在模擬加載狀況下的啟動摩擦力矩及即時摩擦力矩值。在試驗機運行過程中，注意觀測軸承在試驗過程中的運轉平穩性及軸承內滾動體的運轉情況。

2 軸承摩擦力矩測量過程

將試驗軸承的內圈與試驗機加載臂連接，外圈固定不動，通過徑向液壓缸將最大4 000 kN·m的傾覆力矩逐步施加在加載臂上，通過軸向液壓缸在變槳軸承上施加800 kN的軸向力，通過工控機測試軸承的啟動與旋轉摩擦力矩，并分析對比試驗數據。

2.1 空載試驗

將風電變槳軸承安裝在風電軸承試驗機上，在不安裝加載臂的情況下(即未對軸承施加傾覆力矩)測試軸承的啟動摩擦力矩值。在軸承圓周上均勻分出6個測試點，分別記錄啟動摩擦力矩值(表1)，并觀測軸承在旋轉過程中的運轉平穩性。

表1 空載啟動摩擦力矩值

2.2 加載試驗

將加載臂與變槳軸承安裝好后，利用加載油缸對變槳軸承進行加載試驗，對變槳軸承逐次分別加載676，1 352，2 028和2 470 kN·m的傾覆力矩，同時加載800 kN的軸向力，分別測試軸承在各種傾覆力矩和軸向力作用下的啟動摩擦力矩值。同樣，在軸承圓周上均勻分出6個測試點，記錄測得的啟動摩擦力矩值見表2。同時，記載變槳軸承在旋轉中的即時摩擦力矩值，并觀測軸承在旋轉過程中的運轉平穩性。

表2 加載啟動摩擦力矩值

圖2所示為變槳軸承在旋轉過程中的即時摩擦力矩值，記錄了變槳軸承順時針旋轉時加載676 kN·m傾覆力矩后，20 min內的即時摩擦力矩。由圖2可見，摩擦力矩在3 335.4～3 680.6 N·m范圍內波動，平均值為3 528.7 N·m。

圖2 676 kN·m傾覆力矩旋轉摩擦力矩圖

2.3 軸承檢測

軸承檢測是根據用戶的要求，對變槳軸承的外觀尺寸和軸承質量等項目進行檢測，這些檢測項目都會對軸承的摩擦力矩產生一定程度的影響。在試驗前、后各進行一次檢測，主要目的是檢測變槳軸承在試驗后是否仍能達到產品的設計要求，是否滿足客戶的技術需要。需要檢測軸承各零件參數，包括內、外溝道硬度及接觸狀況，齒面嚙合狀況，鋼球圓度及外觀，保持架的摩擦及磨損狀況，密封圈唇口的磨損及變形狀況，內、外圈的端面硬度等。圖3為變槳軸承試驗后的外圈溝道和齒面外觀質量。

圖3 試驗后變槳軸承的溝道和齒面質量

2.4 試驗結果分析

由試驗數據看出，不管是空載啟動，還是加載不同傾覆力矩時，被測軸承圓周面上6個測點的摩擦力矩均有較大差異。而進行長時間旋轉測量時，即時摩擦力矩會隨著時間的變化而逐步減小并趨于穩定。

經分析可知，風電變槳軸承的摩擦力矩與其承受的傾覆力矩成一定的線性關系，加載在變槳軸承上的傾覆力矩越大，軸承承受的摩擦力矩越大。但當傾覆力矩增大到一定程度后，摩擦力矩會逐漸減小并趨于穩定，僅在小范圍內跳動。由于試驗采用新加工的軸承，剛開始啟動時內圈、外圈、滾動體、潤滑脂和保持架之間的相對運動不會很好，會促使摩擦力矩增大。但隨著運動時間的增加，各零件間的相互運動會逐漸趨于平穩，摩擦力矩也會隨之逐漸穩定。

3 結束語

風電變槳軸承的摩擦力矩是檢測軸承是否合格的重要指標，其大小與軸承的裝配狀況，軸承的套圈、滾動體、保持架的加工質量，密封狀況、密封圈的加工質量和材質，潤滑脂的種類以及注入量都有著很大的關系。

采用軸承試驗機測量變槳軸承的摩擦力矩可以研究風電軸承摩擦力矩的變化，以及各種工況對風電變槳軸承的影響，對變槳軸承的設計與加工制造提供了重要的試驗數據，可作為工藝方法驗證和改進的重要依據。