風電軸承的設計與制造(上)

近年來由于環境和能源問題日趨緊張,風電作為一種可再生綠色能源越來越受到世界關注,尤其是近十年,全球風電累計裝機容量的年均增長率接近30%,到2009年底世界總的風能發電容量將突破12億萬MW。據歐洲《風力十二》的規劃和預測,到2020年全世界風能裝機容量將達到123. 1萬MW,這一水平是2005年的21倍,年平均增速高達20%,屆時風電將占世界電力供應的12%.

近十幾年中國風電裝機容量迅猛增加,從1995年至今,我國風電裝機容量年增長率超過46%。按照國家《可再生能源中長期發展規劃》提出的目標到2010年我國風電裝機容量將達0. 5萬MW,到2015年我國風電裝機容量達1. 5萬
MW,到2020年我國風電裝機容量達3. 0萬MW。現在2010年的目標已提前三年完成,按照目前發展速度,預計到2020年我國風電裝機容量將達8. 0萬MW,在2030年后風電將成為我國繼煤炭、石油之后的第三大能源.

風電能源的需求拉動風電產業的發展,長期以來國內風電產品大多依賴進口,市場一直被丹麥、德國、美國、西班牙等歐美國家把持。近年來,在市場的誘導和政策的促進下國內涌現出了一批優秀企業,從市場份額看,國產機組比例也在上升,目前國內葉片、齒輪箱、發電機等零部件已基本能實現自主生產,但軸承、控制系統等還是主要依賴進口。

轉盤軸承是一種特大型軸承,內圈或外圈帶有傳動齒,可以和驅動小齒輪嚙合傳動扭矩,在風力發電機中一般用于偏航系統和變槳系統中,由于安裝位置不易拆裝且拆裝費用高,周期長,對偏航和變槳轉盤軸承的壽命和可靠性提出了嚴格要求,一般要求風電轉盤軸承的壽命要與機組壽命相同,且在20年以上。從世界范圍來看,RotheErde, FAG, SKF等著名軸承公司的風電轉盤軸承產品質量已得到廣泛的認可,國內近年來也相繼有廠家投入風電轉盤軸承的生產,但質量水平還有待長時間裝機應用的驗證。風電轉盤軸承質量的保證不外乎設計和制造兩個方面,本文綜合國內、外部分企業和機構對風電轉盤軸承的設計和制造經驗,對風電轉盤軸承的設計和制造關鍵技術作了探討,以期能夠對相關企業和設計人員有所幫助。

轉盤軸承一般有單排四點接觸球式、雙排四點接觸球式、交叉滾子式、三排滾子式等形式,其中單排四點接觸球式轉盤軸承成本較低,且綜合性能較高;雙排球式轉盤軸承使用壽命長,承載能力強,回轉阻力小,允許磨損量大,對安裝基座要求不高,但其運動精度較低;交叉滾子式轉盤軸承精度高,壽命長,動載荷容量較高,但對基座剛性
和精度有較高要求,且滾子與滾道在接觸時易發生邊緣效應,導致邊緣實際應力遠大于設計應力;三排滾子式轉盤軸承一般具有非常高的靜承載能力。在一般的應用場合,通常認為中小規格的轉盤軸承應以四點接觸單排球式為主,大規格的轉盤軸承應以三排滾子式為主。長期以來,轉盤軸承主要應用于工程機械,選型計算主要也是借助承載能力曲線,按照靜載強度選型,動載校核,靜載與動載的處理手段也僅在于安全系數的選取不同。國內標準統一規定了每種規格轉盤軸承承載能力曲線,很顯然由于生產廠家的制造水平有差異,每個廠家生產的轉盤軸承承載能力也會有一定的差異。風電轉盤軸承除了受較大的傾覆力矩外,由于空氣動力和葉輪轉動還承受非常復雜的疲勞載荷,再加上高可靠性和壽命的要求,使得風電轉盤軸承在選型和設

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