大功率風電偏航四點接觸球軸承保持器結構設計改進

尚艷濤，王朋偉，王力寧，劉好潔

（1. 洛陽 LYC 軸承有限公司，河南 洛陽 471039; 2. 航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039；3. 河南省軸承技術創新中心，河南 洛陽 471039）

0 引言

風能是一種清潔無公害的可再生資源。近幾年國內外對風能的開發利用異常迅猛，數據顯示，2020 年中國新增風電并網裝機容量 71.67 GW，其中陸上新增并網裝機容量 68.61 GW，海上新增并網裝機容量 3.06 GW[1]。隨著風電技術發展的突飛猛進，大功率風電機組成為未來風電科技發展的重要方向。偏航軸承作為風力發電機迎風捕獲能量的重要支撐部件，安裝于風機機艙底部，是風電偏航系統的關鍵部件。它不僅要適應高溫、低溫、強紫外線、潮濕等復雜環境，而且還要承受軸向力、徑向力以及傾覆力矩等聯合載荷作用，同時還需滿足高可靠性和二十五年長壽命要求，這對偏航軸承的設計、制造及維護提出了挑戰[2-6]。

風力發電機組的偏航軸承多選用四點接觸球轉盤軸承。偏航軸承作為塔架和機艙的連接部件，它的可靠性將直接影響整個風機的運行可靠性及壽命。偏航軸承一旦發生失效，整個風機將停止運行，且更換和維修需要專用設備，維修更換成本昂貴。考慮風機軸承可靠性時，人們往往重點關注軸承的生產制造、安裝及后期使用維護[7-9]。在產品最初設計階段，應消除產品潛在風險和薄弱環節，避免故障發生，以提高產品固有可靠性，產品設計可靠性是提高產品固有可靠性要求的關鍵環節。

本文針對風機偏航軸承用四點接觸球轉盤軸承保持器結構設計開展分析研究，以期通過對偏航軸承保持器結構的設計改進，有效提高偏航軸承的可靠性。

1 偏航軸承保持器結構

風力發電機組中偏航系統也稱偏航對風裝置，是風機獨有的伺服系統，也是風機電控系統必不可少的重要組成部分，它的功能主要有兩個，一是控制風機葉輪跟蹤風向變化，二是當風機因偏航作用致使電纜纏繞時，自動解除纏繞電纜，而偏航軸承則是偏航整個系統的核心部件。偏航軸承在工作中同時承受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩等載荷聯合作用，它是集旋轉、支承、傳動和固定等多功能于一體的特殊結構大型軸承[10]。偏航軸承的保持器又稱隔離塊，它是偏航軸承的核心部件，它將滾動體均勻地相互隔開，使每個滾動體在內滾道和外滾道之間正常地滾動。偏航軸承保持器材料通常采用尼龍，其常用結構設計如圖1 所示。

圖1 隔離塊結構示意圖

從圖1 可知，隔離塊兩側是球窩狀，球窩曲面是弧形曲面，球窩曲率半徑一般為鋼球直徑的0.54 倍。球窩曲面的中心為O’，鋼球的中心為O，兩者在鋼球中心線上。軸承裝配后，隔離塊將鋼球均勻隔離，隔離塊球窩曲面和鋼球接觸，保證鋼球在滾道內正常運轉。在偏航軸承工作時，鋼球表面與隔離塊在其球窩曲面上形成面接觸狀態。從保持器設計結構可知，該結構保持器設計簡單、便于制造，生產成本相對較低。

2 偏航軸承保持器結構改進

當前，風力發電機組的設計制造朝向大功率發展，大功率風電機組整機設計壽命一般不少于二十五年，這就對偏航軸承的工作可靠性提出了更高的要求。由于軸承在工作過程中，鋼球與保持器之間的接觸位置一般是固定的，鋼球與隔離塊相互作用，使得球窩曲面和鋼球接觸面增大，兩者之間摩擦變大，會潛在提高偏航軸承啟動摩擦力矩。在偏航軸承隔離塊常用設計中不存在環向儲油槽，在運行過程中軸承存在缺油的潛在風險，造成保持器與鋼球接觸處摩擦增大，從而影響了軸承的工作壽命。且原隔離塊結構因不存在儲油槽，在使用過程中不利于潤滑脂的儲存，潤滑脂不能長時間存在鋼球與隔離塊球窩之間，易造成潤滑不足。在大功率風機上，隨著軸承葉輪直徑增大，偏航軸承受力較大，常規結構軸承隔離塊在使用過程中容易出現潤滑不佳，引起一系列的潛在風險問題，甚至可能引起偏航軸承早期失效。

針對大功率風機偏航軸承中保持器結構設計中存在的問題，本文提出了對隔離塊結構進行設計改進，改進后結構如下圖2 所示。

圖2 改進后隔離塊結構示意圖

（1）優化球窩形狀

通過改變隔離塊球窩曲面曲率中心的位置，來改善鋼球與球窩之間的接觸狀態。

隔離塊球窩曲面由曲率半徑為Rc的圓弧線構成，隔離塊球窩圓弧線的圓心位于隔離塊球窩圓弧線與鋼球的接觸點至鋼球圓心連線的延長線上，使鋼球和隔離塊接觸狀態變為點接觸。

（2）球窩內增加環形儲油槽

在軸承工作過程中，為減少鋼球與隔離塊之間的接觸摩擦，增加兩者之間的潤滑，在隔離塊球窩內增加上下兩層非連續式環形儲油槽，儲油槽內的潤滑脂可改善鋼球與隔離塊之間的接觸摩擦狀態。環形儲油槽設計位置分布示意圖如圖3所示。

圖3 環形儲油槽位置分布示意圖

改進后隔離塊結構與原設計結構相比，具有以下優點：

（1）通過改變鋼球和保持器摩擦接觸狀態，有效降低鋼球和球窩工作中的接觸摩擦，降低偏航軸承啟動摩擦力矩，使運轉更加平穩；

（2）有效提高偏航軸承設計可靠性，使偏航軸承固有可靠性得到提高；

（3）增加環形儲油槽，便于油脂儲存，有效降低風機運維成本，節約大量人力、物力和財力；

（4）為大功率風機優化設計提供借鑒經驗，可以使風機持續無憂運行，增加經濟效益。

實踐應用表明，偏航軸承隔離塊結構改進后，可提高軸承設計可靠性，排除風機運行過程中潛在不安全因素。

3 改進后隔離塊參數化設計

符號說明

α——鋼球與隔離塊接觸角，（°）

Dw——鋼球直徑，mm

Dc——隔離塊外徑，mm

Dc’——球窩開口處直徑，mm

dc——隔離塊內徑，mm

Rc——球窩曲率半徑，mm

X1——球窩曲率半徑中心到中心線距離，mm

a、b——內、外層相鄰油槽之間的距離，mm

h、s——環形油槽寬度和深度，mm

Z——鋼球個數

α值的確定，主要是控制鋼球和隔離塊的接觸位置，由于球窩內上下兩層環形儲油槽的存在，鋼球和隔離塊的接觸位置應在上下兩層儲油槽的中部，一般α取 35°。

隔離塊內徑：dc= 0.15Dw

隔離塊外徑：Dc= 0.9Dw

球窩曲率半徑：Rc= 0.525Dw

球窩開口處直徑：Dc' =（0.8~0.9）Dw

球窩曲面曲率半徑中心的位置在鋼球和隔離塊的接觸點與鋼球中心連線的延長線上，球窩曲率半徑中心到中心線距離

儲油槽尺寸：儲油槽為上下兩層非連續式布置，通常每層有 8 個油槽沿圓周均布，由于內層空間位置較小，內層相鄰油槽之間的距離

外層相鄰油槽之間的距離b可適當增大。環形油槽寬度h通常取 3~5 mm，深度s根據工藝可適當比h大。

4 結束語

通過對偏航軸承隔離塊結構的設計改進，有效降低隔離塊和鋼球的接觸摩擦，提高了軸承工作的可靠性，降低了風機軸承失效概率。根據優化后隔離塊的結構特點，介紹了部分參數的設計方法，對同類型產品隔離塊的設計具有一定的參考意義。