什么是風(fēng)電軸承？風(fēng)電軸承的分類與潤滑

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近十年來，風(fēng)力發(fā)電作為一項(xiàng)可再生的綠色環(huán)保新型潔凈能源，受到了各國的高度重視，得到了長足的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)用軸承主要包括：偏航軸承總成、風(fēng)葉主軸軸承、變速器軸承、發(fā)電機(jī)軸承等，軸承的結(jié)構(gòu)形成主要有四點(diǎn)接觸球軸承、交叉滾子軸承、圓柱滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、深溝球軸承等。其中大型偏航軸承總成和風(fēng)葉主軸軸承技術(shù)難度較大，現(xiàn)在基本依靠進(jìn)口，是風(fēng)機(jī)國產(chǎn)化的難點(diǎn)之一。風(fēng)機(jī)軸承國產(chǎn)化可提高國內(nèi)軸承工業(yè)的設(shè)計(jì)應(yīng)用水平，縮小與國外先進(jìn)水平的差距，促進(jìn)國內(nèi)軸承工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，另一方面，可以降低風(fēng)電成本，加快我國新能源和可再生能源的發(fā)展。風(fēng)電軸承是一種特殊的軸承，使用環(huán)境惡劣，高維修成本，要求高壽命。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)常年在野外工作，工況條件比較惡劣，溫度、濕度和軸承載荷變化很大，風(fēng)速最高可達(dá)23m/s，有沖擊載荷，因此要求軸承有良好的密封性能和潤滑性能、耐沖擊、長壽命和高可靠性，發(fā)電機(jī)在2~3級(jí)風(fēng)時(shí)就要啟動(dòng)，并能跟蹤風(fēng)向變化，所以軸承結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)以保證低摩擦、高靈敏度，大型偏航軸承要求外圈帶齒。為了更好實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的最佳狀態(tài)，因此軸承設(shè)計(jì)、材料、制造、潤滑及密封都要進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，為風(fēng)電設(shè)備的良好運(yùn)行提供更有力的保障，可以在很大程度上可提高設(shè)備性能和可靠性。

在風(fēng)電設(shè)備系統(tǒng)中維護(hù)保養(yǎng)也同樣重要。風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常處在不易進(jìn)行維護(hù)的地方，它們經(jīng)常被安裝在山上、沙漠里或海岸線上。狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)能夠協(xié)助監(jiān)視傳動(dòng)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，而可預(yù)測性的維修保養(yǎng)能夠提高這些系統(tǒng)的性能和可靠性，提高設(shè)備的有效運(yùn)行時(shí)間。如通過振動(dòng)分析、油液分析和紅外熱成像等手段監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，以判定最佳維修時(shí)機(jī)的維修流程；通過預(yù)測性維修手段可提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性，且僅在設(shè)備需要維修的時(shí)候進(jìn)行維修，減少過度維修，降低維修成本。

風(fēng)機(jī)軸承的技術(shù)

1、偏航軸承總成

偏航軸承總成是風(fēng)機(jī)及時(shí)追蹤風(fēng)向變化的保證。風(fēng)機(jī)開始偏轉(zhuǎn)時(shí)，偏航加速度E將產(chǎn)生沖擊力矩M=IE（I為機(jī)艙慣量）。偏航轉(zhuǎn)速d越高，產(chǎn)生的加速度6也越大。由于I非常大，這樣使本來就很大的沖擊力成倍增加。另外，風(fēng)機(jī)如果在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中偏轉(zhuǎn)，偏航齒輪上將承受相當(dāng)大的陀螺力矩，容易造成偏航軸承的疲勞失效。

根據(jù)風(fēng)機(jī)軸承的受力特點(diǎn)，偏航軸承采用"零游隙"設(shè)計(jì)的四點(diǎn)接觸球軸承，溝道進(jìn)行特別設(shè)計(jì)及加工，可以承受大的軸向載荷和力矩載荷。偏航齒輪要選擇合適的材料、模數(shù)、齒面輪廓和硬度，以保證和主動(dòng)齒輪之間壽命的匹配。同時(shí)，要采取有針對(duì)性的熱處理措施，提高齒面強(qiáng)度，使軸承具有良好的耐磨性和耐沖擊性。

風(fēng)機(jī)暴露在野外，因此對(duì)該軸承的密封性能有著嚴(yán)格的要求，必須對(duì)軸承的密封型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)軸承的密封性能進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，保證軸承壽命和風(fēng)機(jī)壽命相同。風(fēng)機(jī)裝在40m的高空，裝拆費(fèi)用昂貴，因此必須有非常高的可靠性，一般要求20年壽命，再加上該軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在裝機(jī)試驗(yàn)之前必須進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn),以確保軸承設(shè)計(jì)參數(shù)無誤。

2、風(fēng)葉主軸軸承

風(fēng)葉主軸由兩個(gè)調(diào)心滾子軸承支承。由于風(fēng)葉主軸承受的載荷非常大，而且軸很長，容易變形，因此，要求軸承必須有良好的調(diào)心性能。確定軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和保持架的結(jié)構(gòu)形式，使軸承具有良好的性能和長壽命。

3、變速器軸承

變速器中的軸承種類很多，主要是靠變速箱中的齒輪油潤滑。潤滑油中金屬顆粒比較多，使軸承壽命大大縮短，因此需采用特殊的熱處理工藝，使?jié)L道表面存在壓應(yīng)力，降低滾道對(duì)顆粒雜質(zhì)的敏感程度，提高軸承壽命。同時(shí)根據(jù)軸承的工況條件，對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行再優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)軸承加工工藝方法，進(jìn)一步提高軸承的性能指標(biāo)。

4、發(fā)電機(jī)軸承

發(fā)電機(jī)軸承采用圓柱滾子軸承和深溝球軸承。通過對(duì)這兩種軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝方法改進(jìn)、生產(chǎn)過程清潔度控制及相關(guān)組件的優(yōu)選來降低軸承振動(dòng)的噪聲，使軸承具有良好的低噪聲性能。

風(fēng)電軸承的潤滑

風(fēng)電齒輪箱輸入軸的轉(zhuǎn)速一般在10-20轉(zhuǎn)/分鐘,由于轉(zhuǎn)速比較低，導(dǎo)致輸入軸軸承也就是行星架支撐軸承的油膜形成往往比較難。油膜的作用是在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)分開兩個(gè)金屬接觸面，避免金屬與金屬直接發(fā)生接觸。我們可以引入一個(gè)參數(shù)λ來表征軸承的潤滑效果(λ定義為油膜厚度與兩接觸表面粗糙度之和的比值)。

如果λ大于1，說明油膜的厚度足夠分開兩個(gè)金屬表面，潤滑效果良好；而如果λ小于1，則說明油膜的厚度不足以完全分開兩個(gè)金屬表面，潤滑效果不理想。在潤滑不良的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承有可能會(huì)發(fā)生如圖一所示的損傷。由于風(fēng)電齒輪箱一般都采用ISOVG320粘度的循環(huán)潤滑油，因此如果發(fā)現(xiàn)λ小于1，我們一般只能通過降低軸承滾道及滾子的粗糙度來改善潤滑效果。

另外，在齒輪箱設(shè)計(jì)時(shí)，行星架支撐軸承要盡量避免一端軸承的尺寸太小，在實(shí)際的應(yīng)用分析中我們發(fā)現(xiàn)即使壽命滿足條件，這種設(shè)計(jì)也會(huì)導(dǎo)致小軸承的線速度非常低，油膜更加無法形成。

風(fēng)電軸承的承載區(qū)

在運(yùn)轉(zhuǎn)軸承的滾子中一般只有一部分同時(shí)承受載荷，而這部分滾子所在的區(qū)域稱之為軸承的承載區(qū)。軸承承受的載荷大小，運(yùn)行游隙的大小都會(huì)對(duì)承載區(qū)產(chǎn)生影響。如果承載區(qū)范圍太小，滾子在實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)中則容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。

對(duì)于風(fēng)電齒輪箱而言，如果主軸的設(shè)計(jì)采用雙軸承支撐的方案，那么理論上只有扭矩傳遞到齒輪箱。在這種情況下，經(jīng)過簡單的受力分析，就不難發(fā)現(xiàn)行星架支撐軸承承受的載荷是比較小的，因此軸承的承載區(qū)往往也比較小，滾子容易發(fā)生打滑。在風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)中行星架支撐軸承一般采用兩個(gè)單列圓錐軸承或者兩個(gè)滿滾子圓柱軸承的方案。

可以通過適當(dāng)預(yù)緊圓錐滾子軸承或者減小圓柱滾子軸承游隙的方法來提高承載區(qū)。

風(fēng)電軸承的制造材料

不同部位的軸承采用不同的材料及熱處理，如提高偏航和變槳軸承用40CrMo鋼的低溫（環(huán)境溫度-40℃∽-30℃，軸承工作溫度在-20℃左右）沖擊功等力學(xué)性能的熱處理方法，表面感應(yīng)淬火的淬硬層深度、表面硬度、軟帶寬度和表面裂紋的控制；增速器軸承用相當(dāng)于國外STF、HTF鋼的研制及控制其殘余奧氏體最佳含量的研究；主軸軸承在國產(chǎn)真空脫氣鋼質(zhì)量尚存在一定差距的情況下，采用電渣重熔滲碳鋼ZG20Cr2Ni4A制造等。

(運(yùn)轉(zhuǎn)世界大國龍騰 龍出東方 騰達(dá)天下 龍騰三類調(diào)心滾子軸承 劉興邦CA CC E MB MA)

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飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承有什么特殊要求，是怎么做到耐高溫和潤滑的？

首先，了解一下飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況：

1.高轉(zhuǎn)速，一般飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在18000轉(zhuǎn)/分鐘以上，這么高的轉(zhuǎn)速對(duì)材料的要求是很高的。

2.高溫，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度非常的高，軸承的運(yùn)行溫度也可能達(dá)到300°C，軸承材料需要能耐受高溫。

3.高可靠度，不管是民用飛機(jī)還是戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)可靠度的要求都是非常高的，稍有差池就是人命關(guān)天啊。

知道軸承的運(yùn)行工況了，就可以選取適應(yīng)該工況的軸承了，由于軸承運(yùn)行溫度很高，外圈采用耐高溫且高溫穩(wěn)定性好的AISI M50材料，這種材料在300°C時(shí)硬度仍可達(dá)到58HRC。

當(dāng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸承內(nèi)圈是轉(zhuǎn)動(dòng)的，離心力非常大，軸承內(nèi)圈截面承受環(huán)向拉應(yīng)力，所以內(nèi)圈表面不能有任何的微觀裂紋，以避免在拉應(yīng)力下裂紋擴(kuò)展，因此常采用AISI M50NiL 材料做內(nèi)圈。

由于轉(zhuǎn)速非常之高，為了降低鋼球由于離心力帶來的額外載荷，一般采用質(zhì)量比較輕的，硬度比較高的陶瓷材料，比如氮化硅（Si3N4）或者碳化鈦（TiC）等作為鋼球材料，有時(shí)為了增加軸承內(nèi)外圈的耐磨性和降低摩擦力，內(nèi)-外圈滾道也噴鍍陶瓷。

軸承就是這個(gè)樣子的。

這還沒完，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度可不止300°C啊，最高要1500°C以上，軸承溫度怎么才300°C，這就是潤滑系統(tǒng)的功勞了，其實(shí)軸承潤滑系統(tǒng)還有一個(gè)主要的功能就是冷卻作用了，下面看看發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的潤滑系統(tǒng)：

這么多管路，一部分就是潤滑用的，發(fā)動(dòng)機(jī)軸承潤滑其實(shí)和一般軸承的潤滑差不多，由于軸承轉(zhuǎn)速太高，無法采用接觸密封，所以發(fā)動(dòng)機(jī)軸承采用的是迷宮密封方式，只是他用的潤滑油要好很多，因?yàn)檫\(yùn)行溫度太高了，一般的潤滑油很容易氧化變質(zhì)，所以一般都是用的合成油MIL-PRF23699HTS。

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