风机主轴 轴承及 选 配.ppt
主轴轴承及选配,田超,轴承分类：按轴承工作的摩擦性质不同可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。按载荷方向可分为：向心轴承，承受径向载荷。推力轴承，承受轴向载荷。其中滚动轴承还有向心推力轴承，同时承受径向载荷和轴向载荷。,什么是轴承：轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。,滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体、保持架等四部分组成。通常内圈装配在轴上，并与轴一起旋转，外圈与轴承座孔装配在一起，起支撑作用。保持架将滚动体等距离排列隔开，以避免滚动体直接接触，减少发热和磨损。,滚动轴承,滚动体是滚动轴承的核心元件。以上为4个基本元件，其余附加元件如止动环等,按滚动体的形状可分为球轴承和滚子轴承按滚动体的列数，可分为单列、双列及多列,滚动轴承例举,摩擦阻力小，起动机运转力矩小，启动灵敏，功率损耗小且轴承单位宽度承载能力较大，润滑、安装及维修方便等。与滑动轴承相比，滚动轴承的缺点是径向轮廓尺寸打，接触应力高，高速重载下轴承寿命较低且噪声较大，抗冲击能力较差,滚动轴承的特点,滑动轴承是用来支承轴的一种重要部件。虽然滚动轴承有一系列优点，在一般机器中获得了广泛的应用，但是在高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合下，滑动轴承就显示出它的优异性能。因而在汽轮机、内燃机、轧钢机，及仪表、雷达、天文望远镜中多采用滑动轴承。此外，在低速而带有冲击的机器中，如水泥搅拌机、滚筒清砂机、破碎机等也常采用滑动轴承。,滑动轴承,润滑目的：减少轴承内部(套圈、滚动体及保持器)摩擦及摩损，防止烧粘,保证轴承正常工作,延长轴承的寿命；可以用油转移由摩擦发生的热，冷却；防止异物侵入轴承内部，或防止生锈、腐蚀。,轴承的润滑：分为油润滑和脂润滑,疲劳点蚀：滚动体接触表面反复接受接触应力的作用，出现疲劳裂纹并继续发展，使金属表层产生麻坑或片状脱落；是滚动轴承的主要失效形式。塑性变形：过大的静载荷及冲击载荷作用下滚动接触表面产生永久性凹坑，不正确安装、异物可导致接触表面产生压痕。增大了摩擦力矩、振动和噪声，降低了运转精度。磨损：杂质侵入，导致磨粒磨损、线状伤痕；或润滑不良引起烧伤。其他形式：电腐蚀、化学腐蚀,轴承的失效形式,风机中各结构使用的轴承类型,根据风力发电机组的结构，一个兆瓦级以上的风力发电机组将需要4个精密级回转支承与之配套，分别为一个偏航支承和三个变桨支承，还需要1个主机主轴轴承和1个增速箱主轴轴承。目前，主轴轴承主要有圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、2-3 列圆柱滚子轴承等形式，为使轴承有更长的使用寿命和更强的承载能力，往往采用多列滚子轴承排布。,风机主轴轴承简介,主轴与主轴轴承,组装完毕的轴承室,如今安装的所有风力发电机中，75%80%均采用主轴轴承支撑原理，也就是主轴承的内圈安装在旋转的主轴上。主轴起支承轮毂及叶片，传递扭矩到增速器的作用，主轴轴承主要承受径向力，其性能的好坏不仅对传递效率有影响，而且也决定了主传动链的维护成本，所以要求具有良好的调心性能、抗振性能和运转平稳性。在主轴上，采取双轴承的配置是比较常用的一种轴承配置形式，采用的轴承类型根据设计要求的不同而有所不同，但较为常见的轴承配置为调心滚子轴承或者圆锥滚子搭配圆柱滚子轴承的配置。大功率风力发电机多采用大锥角双列圆锥滚子轴承或三列圆柱滚子轴承。,主轴轴承支撑配置,此种设计为固定端/浮动端轴承支撑的两点支撑形式是最典型的。轴承被安装在两个独立的或一个共同的轴承座内，转子端或齿轮箱端轴承都可以设计为固定端轴承。第一种形式提供了径向力和轴向力之间更为适合的比例，而且主轴的结构会导致固定端轴承的解决方案直径较大。采用第二种形式时，传递轴向载荷的轴肩的位置在主轴应力方面表现得更为有利，因为它避免了前轴承位置的台阶。只有转矩进入齿轮箱，在一定程度上保护了齿轮箱，但价格较贵（多一个轴承和轴承座，主轴也较长）。,采用三点支撑，一点是固定端轴承而另外两点是齿轮箱内的转矩支撑轴承。在此，齿轮箱输入轴轴承作为浮动端轴承。固定端轴承相对于齿轮箱输入轴的浮动端轴承的同轴度以及轴的偏移量，是选择轴承类型时的决定因素。固定端轴承采用单独的轴承座，推荐使用自调心轴承（例如调心滚子轴承）。另外重要的一点是，要在安装时确保固定端轴承位置和浮动端轴承位置之间的正确的距离。轴向力一定要作用在固定端轴承上。采用三点支撑，作用在浮动端轴承上的力显示了载荷对齿轮箱内部的影响。,主轴轴承是直接整合在齿轮箱内的。这种设计的优点之一是：由于固定端轴承和浮动端轴承使用同一个箱体，使得保持它们的同轴度更为容易，但要求高。同时这种双列圆锥滚子轴承比较精密，价格很贵。其常见的损坏症状是保持架断裂、滚子打横、滚子调心角度过大。,单个轴承的解决方案在约3 MW级以上的风力发电机中出现的越来越多。整合概念的运行时间最长的3 MW 风电设备装有位置非常接近齿轮箱的、承受所有来自转子的载荷的主轴承。还有其他的35 MW 的设备也采用这种轴承配置。当使用主轴轴承支撑结构时，几乎所有的结构都毫无例外地使用了调心滚子轴承。事实上，对于采用单独轴承座的结构，轴承位置处轴的角位移太大，所以采用调心滚子轴承是必须的。把传统主轴轴承概念应用到多兆瓦级的风电设备中通常也是可行的，例如采用两个调心滚子轴承。,风力发电机常年在野外工作，工况条件比较恶劣，温度、湿度和轴承载荷变化很大，有冲击载荷，因此要求轴承有良好的密封性能和润滑性能、耐冲击、长寿命和高可靠性。风力发电机的可靠性要求超过20年，而作为为其配套的轴承，也要求具有超过20年的使用寿命；风力发电机在2-3级风时就要启动，轴承结构需要进行特殊设计以保证低摩擦、高灵敏度。根据其同时承受轴向载荷、径向载荷和冲击载荷的受力特点，由于涉及多学科，要特别注意制造轴承零件所用材料的优选、材料质量控制、工艺措施以及特大型轴承寿命等关键技术的研究和应用。,风机主轴承制造关键技术,材料：材料的好坏是决定风电轴承的最重要因素，我国风电轴承与国外差距，材料是主要因素，其次为风电轴承设计、工艺水平和工艺装备。尽管我们制定了JG/T107052007滚动轴承 风力发电机轴承和修订了GB/T18254 2002高碳铬轴承钢标准，对其中碳化物、偏析、含氧量和夹杂物等要求有所提升，但受制于国内钢企冶炼技术和成本等因素，完全实施仍有很大难度。国产真空脱气钢质量尚存在一定差距，含氧量控制方面虽有很大提高，但在碳化物均匀性、网状碳化物控制、夹杂物控制等方面仍有较大差距，这就造成国内风电轴承质量先天不足，风电轴承的寿命、可靠性及一致性逊色国外产品。热处理：国内风电轴承生产企业的热处理还停留在保护气氛的少氧化加热，采用99.8%以上氮气甲醇或只通入甲醇作为保护气氛，炉内碳势不易控制，热处理后零件有少量脱碳层，基本可满足磨削要求。但在倒角、油沟等不磨削位置仍有残留脱碳层，特别对滚动体的使用寿命还是有一定影响。目前国外先进风电轴承企业已全面推广可控气氛的无氧化加热，采用高纯氮气丙烷，炉内碳势可控制，保证炉内气氛的碳势与加工零件含碳量基本一致，确保加工风电轴承零件无氧化。目前先进轴承钢中氧含量要求在4 10-6 以下。,设计与分析：目前仍以经验类为主，受力分析与载荷谱的研究几乎空白。其中的难点技术是针对主轴轴承的要求无故障运转达13 104 h 以上，工作寿命20 年；并具有99%以上的可靠度；针对齿轮箱轴承的高损坏率(齿轮箱故障中约80%左右是轴承失效所致)的高载荷容量设计等。主轴轴承的高精度加工：其中最主要是所采用的调心滚子轴承，由于其结构特点，导致在制造上难以实现高精度，通常的最高加工精度仅为P5，而现在的设计精度已要求达到P4。保持架的改进设计，保持架应具有更高的强度和耐磨损性。,选配要素：载荷及寿命,滑动轴承：由于滑动轴承一般单独承受径向或轴向载荷，只需满足此载荷即可。但由于滚动体间需完全或不完全被油膜分开，对压强、转速、油粘度等还有复杂要求。寿命需满足风机既定要求。,主轴轴承选配,风电机组制造企业在选择风电轴承供货厂家时，不仅要按常规考察供货厂家的经济规模、管理水平、质量保证能力和产品性价比，更要考察其在风电轴承生产中抗疲劳制造技术研究和应用的情况。不同厂家生产的同一型号的风电轴承，从外表上看几乎一模一样，但内在质量、寿命和可靠性有时却相差甚远。滚动轴承选配除满足载荷及寿命要求外，主要任务是将内圈、外圈和滚动体进行尺寸分选，通过选配以保证装配后具有满足要求的径向游隙或宽度。滚动轴承装配过程中的一个主要工序是选配合套工序，首先要将套圈滚道直径尺寸选别分组，然后将各种组别的内圈、外圈及滚动体按轴承要求的游隙或宽度公差配合起来成为“一套”轴承（属于生产厂商的生产工序）。,轴承润滑、工作温度和游隙对其承载能力的影响很大。适当的润滑剂可以使轴承部件之间得到良好的润滑，特别是在低温条件下，要求润滑油有良好的黏温特性，能减小轴承启动时的摩擦力矩，同时为了防止润滑油膜被破坏，避免部件之间直接接触，出现干摩擦状态，轴承升温膨胀，降低部件性能，可考虑采用集中润滑对轴承进行润滑，防止由于加油周期长而引起润滑不到位，导致轴承损坏。轴承游隙过大，易导致轴承在运行时承受外载的滚子数量减少，加剧滚子点蚀磨损；游隙过小，易导致轴承摩擦发热，温度升高，破坏油膜，在很多极限工况下往往只有几个滚子受载。因此在设计选型时就应考虑轴承游隙对其寿命的影响。,在选配滚子轴承时，还应主要考虑轴承的游隙以及滚子的修形和润滑油的选择等因素。,随着风力发电机的发展，大功率的风力发电机成为市场发展的趋势，较高的功率密度也成为各主机制造商争相追赶的目标。随着风电机组单机容量的增大，一个主要的设计方向是降低机舱重量，也即降低每千瓦电力所需的原材料投入（kg/kW）。很多研究以及目前主要制造商的设计趋势表明，圆锥滚子轴承更能适应大型风电机组的运行。圆锥滚子轴承专为承受既有径向力又有轴向力的复合载荷而设计，在风速和风向随时发生变化的情况下，是掌控应力的理想选择。该类轴承功率密度高，能在最紧凑的布局中提供最佳性能，为风机长期稳定的运行提供保障。无论用于齿轮箱还是主轴上，圆锥滚子轴承的设计都能在保证可靠运行的基础上有效的控制轴承尺寸和主轴及齿轮箱等相关部件的尺寸，防止机舱重量增加过多，有助于风机设计的进一步升级。,风电主轴轴承现在都是通用轴承，其中一部分要发展成为专用轴承，这是一种趋势。,风电机组中偏航轴承和变桨轴承的技术门槛相对较低，而主轴轴承和增速器轴承的技术含量较高，发电机轴承基本上为成熟的通用产品。因此，目前国内风电轴承企业的产能主要集中在偏航轴承和变桨轴承上，3 MW以下风电机组配套轴承均可批量生产，国产风电轴承逐渐形成了规模化、系列化生产，主要企业有瓦轴、洛轴、天马、徐州罗特艾德以及大冶轴、轴研科技、方圆支承、上海联合和西北轴等，国产替代率已达到80%以上，年产能已达4.5 万套以上，不仅满足了国内的需求，而且也成为国外一些风电设备厂家的采购渠道；但对于主轴轴承和增速器轴承，基本还是依靠进口，只有部分企业初步介入，尚处于研制阶段。国际上著名风电轴承公司主要有瑞典SKF、美国Timken 和日本NSK、NTN、德国Rothe Erde(罗特艾德)、Schaeffer(舍弗勒)、FAG、法国Rollix(劳力氏)等，在全球市场占据统治地位。,市场现状,全球只有约5家公司（两年前是3家公司）能够提供目前风电机组所需的全部轴承。而其供货周期长达16-18个月。根据市场调查根据市场调查，只有30%40%的供应商能够提供发电机、齿轮箱和风轮轴的大号轴承。这个帮助解释了齿轮箱和主轴轴承的供应局限已经成为整个风电产业里的一个发展瓶径。这个瓶颈是否被打破将主要影响到国际风电发展的速度。然而，随着风电机组尺寸的增加和同时对轴承质量要求变得更加严格，轴承短缺的形势不可能在今后的两年里或者甚至更长的时间里得到解决。,风电轴承货期长、供货短缺,以上 谢谢！,
