大功率海上風電機組關鍵部位軸承選型與技術分析

王慧

（鐵姆肯（中國）投資有限公司，上海 200030）

0 引言

在多兆瓦級的海上風電領域，業主在對建造風電場與風電機組的選擇方面，會更多關注所選品牌的可靠性。大量實踐經驗告訴我們，能否避免昂貴的突發故障的維護——比如極端地通過海裝與吊裝設備更換齒輪箱——對這一點的考慮成為能否實現海上投資盈利的關鍵因素[1]。當然，供應鏈服務能力、 采購及建造成本、后期維護和運營成本等，也是不可或缺的關注因素。很多的實踐經驗告訴我們，設計初期的方案確定與選型會對上述因素產生巨大的影響，從而主軸支撐軸承的選型，乃至齒輪箱關鍵位置的軸承選型，都會圍繞可靠性、采購成本以及易于維護等方面，而出現新的選型趨勢[2]。

1 主軸軸承結構趨勢與特點分析

風電機組的主軸軸承是風電轉動支撐的關鍵部件，會承受來自于輪轂中心的交變載荷與扭矩，實現轉子的轉動，而達到發電的目的。圖1是對風電發展至今，主軸軸承選型方案的統計與趨勢概括。

由圖1的統計可以看出，對于大于等于5MW的海上風電機組，雙支撐單列圓錐滾子軸承與單支撐雙列圓錐滾子軸承已經成為直驅、混合和雙饋型風電機組傳動鏈的主要軸承選型類型。

對比單支撐雙列圓錐滾子軸承與雙支撐單列圓錐滾子軸承兩種支撐方式，單支撐雙列圓錐滾子軸承采用單個雙列圓錐滾子軸承支撐主軸，而雙支撐單列圓錐滾子軸承，則指兩個單列圓錐滾子軸承采用背對背的方式跨裝，共同支撐主軸，如圖2所示。

在實際應用中，雙支撐單列圓錐滾子軸承具有如下特點：

（1）結構方面，雙支撐單列圓錐滾子軸承安裝預緊量可調，即：通過精確測量、計算與調整，直接達到理想的裝配預緊量，從而優化兩列圓錐滾子軸承的承載區；

（2）由于兩軸承具有一定的跨距，配以圓錐滾子軸承背對背的安裝方式，大大增加了軸承兩個有效支撐點的距離。從而，雙支撐圓錐滾子軸承提升了整個主軸支撐的結構剛度；

（3）根據實際經驗，雙支撐單列圓錐滾子軸承的游隙調整可以在一定范圍內補償軸和軸承座尺寸偏差的影響，而在單支撐圓錐軸承結構中，由于軸承的預緊量在軸承設計選型與制造過程中已經確定，此類尺寸偏差會對軸承游隙產生很大影響，甚至直接影響軸承的使用性能；

（4）雙支撐單列圓錐滾子軸承在相同兆瓦級別的風電機組中，可以減小軸承的尺寸；軸承本身成本與其他兩種軸承類型相比，有更好的性價比，圖3 是關于主要軸承類型的成本定性比較。

從圖3可以看出，從軸承本身角度，雙支撐單列圓錐滾子軸承在目前幾大類軸承選型中具有最佳的成本優勢。除此之外，雙支撐單列圓錐滾子軸承由于其實際支承作用點距離大于軸承物理距離，可以縮小主軸的長度，而這對主軸、機艙及其他結構件的重量降低與成本降低的作用也不可低估。

至今，雙支撐單列圓錐滾子軸承，已被很多知名的風電設備制造商在海上風電5MW及以上風電機組中選擇。

2 齒輪箱行星架軸承選型分析和技術特點

如圖4所示的行星架支撐軸承，合適的行星架軸承選型，可以達到以下效果：

（1）減小輪轂中心載荷對齒輪箱的影響；

（2）提升行星輪系的結構剛度；

（3）改善行星輪系的嚙合精度。

目前，在兆瓦級風電機組齒輪箱中，行星架位置軸承選型主要以圖5滿裝的圓柱滾子軸承及圖6面對面跨裝的單列圓錐滾子軸承為主。

圖1 風電機組主軸軸承類型與功率的對應

圖2 雙支撐單列圓錐滾子軸承支撐示意圖

圖3 風電主軸軸承成本趨勢

采用滿裝的圓柱滾子軸承作為行星架支撐，會有如下特點：

（1）軸向浮動會導致軸承滾子的軸向串動，滾子與滾道的軸向竄動摩擦會導致軸承滾道擦傷，從而導致軸承先期損傷。尤其是在潤滑不良的情況下，加上圓柱滾子軸承不能滿足輕載要求，存在徑向打滑，擦傷會成為主要的軸承損壞模式；

（2）徑向游隙會對行星架，行星輪及內齒圈與軸承座的同心度產生一定影響，影響整個行星輪系的正常嚙合；

（3）齒輪也可能軸向移動，有刮擦與磨損的風險。

與之對應的是，采用面對面跨裝的圓錐滾子軸承，則會：

（1）安全地將軸向推力傳遞到齒輪箱扭力臂，不會對行星架軸承帶來損傷；

（2）預緊系統可保持行星架、行星輪及內齒圈與軸承座的同心度；

（3）預緊限制齒輪軸向移動，可防止齒輪刮擦與磨損。

正是由于上述特點，面對面跨裝的圓錐滾子軸承已成為經歐洲知名設計公司實踐、試驗和分析論證的行星架標準軸承選型，也是目前全球3兆瓦及以上級成熟機型的主流選擇。該結構設計同時具備成熟的安裝工藝與操作流程，使配對圓錐滾子軸承達到合適的預緊量，從而保證整個行星輪系的剛度[3]。

3 圓錐滾子軸承在行星輪的應用與集成式設計分析

行星輪系從一級變為兩級是目前多兆瓦風電機組傳統齒輪箱設計的主要特點，行星輪軸承的選型與現場損傷分析也成為主要關注點，例如，行星輪外圈的跑圈。同時對結構尺寸、重量以及功率傳遞密度的關注，也使得行星輪的集成性設計——即無外圈設計，成為大功率齒輪箱行星輪設計的主要趨勢。圖7集成的圓柱滾子軸承與圖8集成的雙列圓錐滾子軸承是目前行星輪的主要軸承選型方案[3]。

集成的圓柱滾子軸承，具有如下特點：

（1）永久避免傳統設計中的軸承外圈跑圈；

（2）四列軸承安裝游隙不均容易導致行星輪嚙合過程中的偏載。

與之對應的是，預緊的雙列圓錐滾子軸承用在集成性設計中，除了可以永久避免外圈跑圈之外，還能夠實現：

（1）提升整個行星輪系統的剛度；

圖4 行星架軸承示意圖

圖5 滿裝的圓柱滾子軸承

圖6 面對面跨裝的圓錐滾子軸承

（2）消除由于軸承游隙不均帶來的偏載。

上述兩種方案在行星輪設計中均被采用，并集成的雙列圓錐滾子軸承行星輪有標準的設計選型、加工制造、裝配調整流程，已經成為某些知名齒輪箱公司的標準行星輪選型。

4 結論

圖7 集成的圓柱滾子軸承

圖8 集成的雙列圓錐滾子軸承

海上風電機組一旦出現故障，高昂的維修成本會成為主要的障礙。海上風電的發展需要有可靠的風電機組支撐。而關鍵零部件選型趨勢與解決方案會成為前期可靠性保障的重要環節。

本文簡要分析了海上風電主軸、齒輪箱行星架與行星輪三個關鍵位置的軸承選型，概述了大型海上風電機組的軸承選型趨勢和技術特點。以圓錐滾子軸承為主導的軸承選型，經過理論分析與實踐檢驗，可以有效避免其他軸承選型所存在的軸承損傷模式，并逐漸成為風電機組傳動鏈可靠性設計的重要組成部分。

攝影：李娜

[1]蘇曉.2012年全球海上風電發展與統計分析[J].風能,2013(6):30-35.

[2]方濤,黃維學.大型海上風電機組的運輸、安裝和維護的研究[J].風能產業,2013(7):30-35.

[3]Integrated Planet Pac for Epicyclical Planetary Idlers, ? 2005 the Timken Company Printed in the U.S.A.M-02-05- Order no.5879