風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸組件裝配的定位裝置設(shè)計(jì)

馬國榮，趙海燕

（浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310012）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸組件是連接風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的橋梁，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸組件由主軸、調(diào)心軸承、軸承座、主軸承前后端蓋、主軸承前后擋圈、風(fēng)輪鎖緊盤等組成[1]（圖1）。安裝時(shí)調(diào)心軸承內(nèi)外圈相對(duì)位置，影響調(diào)心軸承的游隙，而游隙是否準(zhǔn)確，直接影響調(diào)心軸承的使用壽命、傳動(dòng)系統(tǒng)的效率和傳動(dòng)系統(tǒng)是否產(chǎn)生噪聲，從而影響整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的使用壽命及發(fā)電量。目前，有一些簡易工裝，但均未能將調(diào)心軸承內(nèi)外圈之間位置準(zhǔn)確定位。軸承游隙不易控制、穩(wěn)定性差，裝配質(zhì)量易受到影響，并且每次都得測(cè)量，安裝效率低。

因此，為提高主軸組件的裝配質(zhì)量和裝配效率，設(shè)計(jì)一種能定位調(diào)心軸承內(nèi)外圈間相對(duì)位置的裝置，以滿足主軸組件裝配生產(chǎn)需求。

圖1 主軸組件

1 定位裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主軸組件裝配采用主軸垂直放置，然后依次將風(fēng)輪鎖緊盤、主軸承前擋圈、主軸承前端蓋、調(diào)心軸承、軸承座、主軸承后擋圈、主軸承后端蓋裝入主軸，再將主軸承前（后）端蓋連接至軸承座上。調(diào)心軸承內(nèi)圈的位置由主軸承前擋圈確定，而調(diào)心軸承外圈的位置由主軸承前端蓋確定。根據(jù)圖1所示主軸組件上的主軸、調(diào)心軸承、主軸承前后端蓋、主軸承前后擋圈、風(fēng)輪鎖緊盤均為旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)件，而軸承座為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)件，因此當(dāng)軸承座套入調(diào)心軸承后，軸承座會(huì)向一側(cè)傾斜，帶動(dòng)調(diào)心軸承的外圈也向一側(cè)傾斜，這就可能導(dǎo)致主軸承前端蓋與主軸承座連接時(shí)，主軸承前端蓋連接端面與軸承座結(jié)合面沒有完全接觸，待主軸組件安裝到機(jī)艙座上成水平位置時(shí)，調(diào)心軸承外圈回不到準(zhǔn)確的位置，導(dǎo)致軸承的游隙過小，當(dāng)主軸受力產(chǎn)生變形時(shí)卡死軸承，或?qū)е轮鬏S承前擋圈前端面未與軸承外圈接觸，軸承軸向串動(dòng)，產(chǎn)生異響，影響軸承使用壽命。

因此，為保證調(diào)心軸承內(nèi)外圈相對(duì)位置在理論設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，定位裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下事項(xiàng)：

1）選擇調(diào)心軸承內(nèi)圈或是外圈作為相對(duì)位置的基準(zhǔn)面。按照目前主軸組件結(jié)構(gòu)，主軸承前擋圈熱套后安裝在主軸上，并且在主軸軸向上有軸肩定位，因此選擇調(diào)心軸承內(nèi)圈作為相對(duì)位置的基準(zhǔn)面較為合適。

2）須設(shè)置3個(gè)及以上的支撐點(diǎn)作為調(diào)心軸承的定位面。相對(duì)位置的基準(zhǔn)面確定后，調(diào)心軸承外圈采用3個(gè)支撐點(diǎn)形成一個(gè)支撐面來作為定位面，若要采用多于3個(gè)以上的支撐點(diǎn)，則須考慮支撐點(diǎn)過定位解決方式。

3）支撐點(diǎn)的支撐臂須有足夠的剛度。支撐點(diǎn)的支撐臂剛度影響調(diào)心軸承外圈定位精度，若支撐臂撓度大于主軸承前端蓋安裝面的設(shè)計(jì)形位公差，則該定位裝置失去了定位作用。

4）裝置需適合不同型號(hào)主軸組件的裝配。定位裝置設(shè)計(jì)時(shí)須考慮設(shè)置有調(diào)整機(jī)構(gòu)或調(diào)整塊，以適應(yīng)不同型號(hào)主軸組件尺寸鏈的變化，適合更多型號(hào)的主軸組件裝配。

5）操作需簡單、方便、高效，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

2 定位裝置結(jié)構(gòu)組成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸組件裝配定位裝置（圖2）由立柱、定位支架、輔助支撐、軸承外圈定位塊、軸承內(nèi)圈定位塊、底架、定位支架支撐塊防轉(zhuǎn)銷、定位支架高度調(diào)節(jié)器、定位支架支撐塊、鎖緊螺母等組成。選擇調(diào)心軸承的內(nèi)圈作為調(diào)心軸承內(nèi)外圈相對(duì)位置的基準(zhǔn)點(diǎn)，通過調(diào)整主軸承前擋圈與主軸承前端蓋間的相對(duì)位置，來保證調(diào)心軸承內(nèi)外圈的準(zhǔn)確位置。更換軸承外圈定位塊和軸承內(nèi)圈定位塊，可適用多種風(fēng)力發(fā)電機(jī)型號(hào)的主軸組件裝配。若將定位支架高度調(diào)節(jié)器和輔助支撐改為動(dòng)力升降、定位支架增加動(dòng)力旋轉(zhuǎn)，則該裝置可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化裝配。

圖2 定位裝置的結(jié)構(gòu)組成

本設(shè)計(jì)例為手動(dòng)操作，采用三點(diǎn)支撐來定位調(diào)心軸承外圈。首先，將三個(gè)定位支架向外旋轉(zhuǎn)一角度，吊入主軸放置在底架上定位，安裝風(fēng)輪鎖緊盤，加熱主軸前擋圈后裝入主軸，向內(nèi)旋轉(zhuǎn)三個(gè)定位支架至預(yù)設(shè)定位置，調(diào)整定位支架高度調(diào)節(jié)器高度，使軸承內(nèi)圈定位塊與主軸前擋圈接觸，此時(shí)定位支架已將調(diào)心軸承內(nèi)外圈的相對(duì)位置調(diào)整完畢，調(diào)節(jié)輔助支撐，使輔助支撐的支撐端與安裝風(fēng)輪鎖緊盤接觸，鎖緊螺母固定住定位支架位置，接下去安裝主軸承前端蓋、調(diào)心軸承、主軸承座及其他零件，安裝完畢，擰松輔助支撐、鎖緊螺母、定位支架高度調(diào)節(jié)器，再次將三個(gè)定位支架向外旋轉(zhuǎn)一角度，將主軸組件吊離底架。該裝配定位裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）可確保調(diào)心軸承內(nèi)外圈位置在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)；

2）定位支撐塊和定位支架高度調(diào)節(jié)器組合配置，使該裝置能適用多種型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸組件安裝；

3）更換風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸型號(hào)時(shí)，一次預(yù)調(diào)，可批量生產(chǎn)。

3 定位裝置強(qiáng)度有限元分析

為使定位裝置有足夠的剛強(qiáng)度，需對(duì)定位裝置進(jìn)行有限元分析，本實(shí)例的有限元計(jì)算：主軸組件重18 000 kg，主軸軸承座2 495 kg，定位裝置的材質(zhì)采用Q345E，其彈性模量E=2.06×105MPa；密度 ρ=7.85 × 10-6kg/mm3；屈服極限 σs=335 MPa；泊松比μ=0.3[2]。

三維模型由Solidworks建立，并通過Solidworks與Ansysworkbench14.5的接口功能，導(dǎo)入到Ansysworkbench中進(jìn)行靜強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析。

網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)劃分法，設(shè)置網(wǎng)格劃分Sizing為 20 mm，共生成節(jié)點(diǎn)（Nodes）229 563，生成單元（Elements）117 027，有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果[3]如圖3所示。

圖3 定位裝置有限元網(wǎng)格劃分圖

邊界約束：定位裝置底架、立柱和輔助支撐的底面全約束，主軸承座、調(diào)心軸承外圈和滾子、支撐密封圈壓環(huán)、軸承前后端蓋的重量引起的重力加載到定位裝置的支撐外圈定位塊上，然后對(duì)定位裝置進(jìn)行剛度（Total）和強(qiáng)度（Von Mises）分析[3]。圖 4 為定位裝置的撓度分布云圖，圖5為定位裝置的應(yīng)力分布云圖。

圖4 定位裝置的撓度分布云圖

圖5 定位裝置的應(yīng)力分布云圖

分析結(jié)果表明，定位裝置的最大撓度在支撐內(nèi)圈的定位塊端部，最大撓度為4.47×10-2mm，強(qiáng)度的最大應(yīng)力為42.93 MPa，在立柱與底架的連接橫梁上。

像這類帶懸臂狀的定位工裝裝置，結(jié)構(gòu)剛度的校驗(yàn)是重點(diǎn)[4]，定位用的懸臂端部的最大撓度應(yīng)小于產(chǎn)品零部件安裝面的設(shè)計(jì)形位公差。本設(shè)計(jì)中，軸承座前后端蓋連接面的設(shè)計(jì)形位公差為8×10-2mm，軸承座連接端面的設(shè)計(jì)形位公差為1.0×10-1mm，故本實(shí)例完全滿足主軸組件安裝時(shí)對(duì)調(diào)心軸承定位要求。

4 結(jié)束語

對(duì)主軸組件的結(jié)構(gòu)組成及安裝工藝進(jìn)行了分析，提出了解決安裝調(diào)心軸承時(shí)保證軸承內(nèi)外圈準(zhǔn)確相對(duì)位置的一種方法。并通過實(shí)例有限元結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明該裝置完全能滿足準(zhǔn)確、快速、高質(zhì)量的主軸組件安裝要求。