一端轴承浮动、另一端轴承固定的风力发电机主轴支撑
2009-08-21供稿：铁姆肯公司
固定端是双内圈圆锥滚子轴承与固定端是调心滚子轴承的设计比较
固定端是双内圈圆锥滚子轴承与固定端是调心滚子轴承的设计比较
概述
目前在风力发电机主轴位置上固定端使用一个双列调心滚子轴承的方案并不是一个值得优先考虑的方案，并且在未来的设计中应该避免。虽然没有一个确定的公认Z大极限值，但是一般认为所允许的双列调心滚子轴承承受的轴向力和径向力的Z大比值在0.15和0.20之间。也就是说，轴向力只能是径向力的15%到20%。在某些应用中，这个比值可以达到0.3甚至0.35，但可能会出现一列不受力、两列应力不均、滚子倾斜、保持架变形、产生过多的热量、滚子斑点剥落等情况。由于风力发电机主轴固定端轴承的受力比例一般在0.6左右，这会导致只有一列承受径向力及轴向力，也就是说轴承无法按照原来设计的方式进行运转，因此必须要考虑其他的固定端的轴承方案来提高性能和可靠性。
本文主要讲述了在风力发电机主轴位置一端采用双列圆锥滚子轴承，另一端采用圆柱滚子轴承方案的好处。分析表明使用预紧的双列圆锥滚子轴承可以提高主轴的刚性，从而减小轴承滚道和齿轮箱输入零部件发生假性压痕的可能性。预紧并优化的内部游隙甚至可以在Z极端风力情况下，确保很好的系统稳定性，滚道的形状经过优化后甚至可以在非常大的偏心情况下正常使用。
主轴轴承的比较
有一些风力发电机在主轴位置上使用两个调心滚子轴承。固定端调心滚子轴承承受轴向力和径向力，浮动端调心滚子轴承只承受径向力。安装时两个轴承都有一定的径向游隙。安装游隙对轴承轴向和径向的刚性有着重要的影响。因此，主轴的径向偏移和轴承轴向移动都要受到初始游隙及轴孔配合的影响。减小轴承的径向偏移对提高轴承和系统的性能都有好处。在固定端使用一个预紧的双列圆锥滚子轴承，在浮动端使用圆柱滚子轴承对于风机主轴来说是一种更好的轴承布置形式。
主轴运转过程中的分析比较
图1 给出的是一个典型风力发电机上叶片受力图。
目前在风力发电机主轴位置上固定端使用一个双列调心滚子轴承的方案并不是一个值得优先考虑的方案，并且在未来的设计中应该避免。虽然没有一个确定的公认Z大极限值，但是一般认为所允许的双列调心滚子轴承承受的轴向力和径向力的Z大比值在0.15和0.20之间。也就是说，轴向力只能是径向力的15%到20%。在某些应用中，这个比值可以达到0.3甚至0.35，但可能会出现一列不受力、两列应力不均、滚子倾斜、保持架变形、产生过多的热量、滚子斑点剥落等情况。由于风力发电机主轴固定端轴承的受力比例一般在0.6左右，这会导致只有一列承受径向力及轴向力，也就是说轴承无法按照原来设计的方式进行运转，因此必须要考虑其他的固定端的轴承方案来提高性能和可靠性。
本文主要讲述了在风力发电机主轴位置一端采用双列圆锥滚子轴承，另一端采用圆柱滚子轴承方案的好处。分析表明使用预紧的双列圆锥滚子轴承可以提高主轴的刚性，从而减小轴承滚道和齿轮箱输入零部件发生假性压痕的可能性。预紧并优化的内部游隙甚至可以在Z极端风力情况下，确保很好的系统稳定性，滚道的形状经过优化后甚至可以在非常大的偏心情况下正常使用。
主轴轴承的比较
有一些风力发电机在主轴位置上使用两个调心滚子轴承。固定端调心滚子轴承承受轴向力和径向力，浮动端调心滚子轴承只承受径向力。安装时两个轴承都有一定的径向游隙。安装游隙对轴承轴向和径向的刚性有着重要的影响。因此，主轴的径向偏移和轴承轴向移动都要受到初始游隙及轴孔配合的影响。减小轴承的径向偏移对提高轴承和系统的性能都有好处。在固定端使用一个预紧的双列圆锥滚子轴承，在浮动端使用圆柱滚子轴承对于风机主轴来说是一种更好的轴承布置形式。
主轴运转过程中的分析比较
图1 给出的是一个典型风力发电机上叶片受力图。
图1 载荷分布情况
在运行中，一个径向力主要来自重力，一个水平力主要来自风。转子的轴向力和倾覆力矩来自叶片。用来做分析比较的工况是由恒速16转/分钟下500多种不同受力情况合成的一个当量载荷工况。
主轴模型
图2给出了用于轴承系统分析的主轴模型。力Fx, Fz以及扭矩My，Mz作用于离固定端轴承2000mm的壳体中心。来自风的水平力Fy和Fz相比非常小，因此在我们的分析中忽略不计。轴承之间的跨距为1000mm，齿轮箱重量（在我们的分析中假定200000N）作用于离固定端轴承2500mm的轴端。
图2在中心线上给出了布置双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承的方案，在中心线下给出的是两个调心滚子轴承的方案。
主轴模型
图2给出了用于轴承系统分析的主轴模型。力Fx, Fz以及扭矩My，Mz作用于离固定端轴承2000mm的壳体中心。来自风的水平力Fy和Fz相比非常小，因此在我们的分析中忽略不计。轴承之间的跨距为1000mm，齿轮箱重量（在我们的分析中假定200000N）作用于离固定端轴承2500mm的轴端。
图2在中心线上给出了布置双列圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承的方案，在中心线下给出的是两个调心滚子轴承的方案。
图2：主轴模型
（图中英文注释：Loads and Moments acting on the rotor – 作用于转子的力和力矩；Double row Tapered roller bearing – 双列圆锥滚子轴承； Solution1：TDI + CRB – 方案1：双列圆锥滚子轴承+ 圆柱滚子轴承； Cylindrical roller bearing – 圆柱滚子轴承； Spherical roller bearing – 调心滚子轴承； solution2：SRB+SRB – 方案2：调心滚子轴承+调心滚子轴承）
（图中英文注释：Loads and Moments acting on the rotor – 作用于转子的力和力矩；Double row Tapered roller bearing – 双列圆锥滚子轴承； Solution1：TDI + CRB – 方案1：双列圆锥滚子轴承+ 圆柱滚子轴承； Cylindrical roller bearing – 圆柱滚子轴承； Spherical roller bearing – 调心滚子轴承； solution2：SRB+SRB – 方案2：调心滚子轴承+调心滚子轴承）
轴承使用ISO VG320黏度的油脂进行润滑，运行温度假定40摄氏度。
分析结果比较
图3 – 调整寿命 L10A
（图中英文注释: condition – 工况；Adjusted Life – 调整寿命； Fixed Position – 固定端； Floating Position – 浮动端；TDI – 双列圆锥滚子轴承；SRB – 调心滚子轴承； CRB – 圆柱滚子轴承；weighted: 平均值）
（图中英文注释: condition – 工况；Adjusted Life – 调整寿命； Fixed Position – 固定端； Floating Position – 浮动端；TDI – 双列圆锥滚子轴承；SRB – 调心滚子轴承； CRB – 圆柱滚子轴承；weighted: 平均值）
调整寿命是考虑了各种环境因素，比如运行温度、偏心、承载区、润滑和应力水平，它的公式为：
L10 为样本寿命（小时）
ai为环境系数
结果表明双列圆锥滚子轴承加圆柱滚子轴承的方案调整寿命要比调心滚子轴承方案长。
甚至双列圆锥滚子轴承的额定承载能力低于调心滚子轴承的情况下，圆锥滚子轴承由于可以预紧，所以它的表现要强于调心滚子轴承。预紧可以改善两列滚子间的荷载分布情况和承载区。
轴的变形
图4给出了主轴径向变形和位置的关系曲线。
图4：主轴变形
（图中英文注释：Shaft deflection- condition 1 – 轴变形 - 工况1；model with tapered roller bearing – 使用圆锥滚子轴承的模型； model with spherical roller bearing – 使用调心滚子轴承的模型；location – 位置）
（图中英文注释：Shaft deflection- condition 1 – 轴变形 - 工况1；model with tapered roller bearing – 使用圆锥滚子轴承的模型； model with spherical roller bearing – 使用调心滚子轴承的模型；location – 位置）
结果显示装了预紧双列圆锥滚子轴承的主轴变形要比装了调心滚子轴承的小，有两个原因：
1、 和调心滚子轴承一直有径向游隙相比，双列圆锥滚子轴承有0.500的预紧，提高了系统的刚性。
2、 双列圆锥滚子轴承改善了双列滚子之间的载荷分布，减小了每列的径向和轴向变形。
轴向偏移
风力发电机的主轴既有径向偏移，又有轴向偏移。实际上，主轴的轴向偏移直接传递到齿轮箱的输入轴。除非对调心滚子轴承的径向游隙，轴向游隙控制以及行星轮的定位做特别处理，否则轴向的偏移会对齿轮箱里行星架支撑轴承产生不利的影响。
主轴的轴向偏移取决于系统的刚性和固定端轴承的内部游隙。在固定端使用预紧的双列圆锥滚子轴承后，主轴右端的轴向偏移几乎比使用调心滚子轴承时减少4倍。减小轴向偏移可以减小轴向挤压齿轮箱输入轴的风险，这非常重要。
轴承的承载区
在一端固定、一端浮动的轴承布置情况下，固定端轴承（双列圆锥滚子轴承或调心滚子轴承）同时承受径向力和轴向力，而浮动端轴承（圆柱滚子轴承或调心滚子轴承）只承受径向力。因为轴向力作用方向是从转子端指向齿轮箱端的，因此不管是使用双列圆锥滚子轴承还是使用调心滚子轴承，只有靠近齿轮箱一端的一列滚子承受所有的轴向力，请看图5。
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图5：轴承的承载区
（图中英文注释：load zone comparison承载区比较； row adjacent to rotor – 靠近转子的一列；Row adjacent to gear box – 靠近齿轮箱的一列）
对于双列圆锥滚子轴承来说，两列滚子间的载荷分配有所改善，对于调心滚子轴承来说，大部分时间里所有的力只有一列滚子承受。
图6：双列圆锥滚子轴承的承载区
（图中英文注释：row adjacent to rotor – 靠近转子的一列；row adjacent to gear box – 靠近齿轮箱的一列）
双列圆锥滚子轴承两列同时承载是因为：
1、圆锥滚子轴承是预紧的，消除了内部游隙
2、预紧提高了径向和轴向的刚性，从而降低了运行中的变形，在低速运转的情况下，应用于风力发电机的优化承载区有确确实实的好处。
在低速运转时，滚子出了承载区后会失去附着力和滚动速度，从而由保持架推动他们，当滚子重新进入承载区后，在受载情况下重新获得附着力和滚动速度，滑动和斑点剥落可能会发生。这种滑动和剥落会进一步造成滚道和滚子在那些点处的大面积磨损。同时这也会对承载区油膜形成带来不利影响。
另外，这种滑动和剥落会带来很大的滚道/滚子次表层拉剪应力。这种拉应力，结合拉伸环应力，残余热处理应力以及滚动接触应力可以造成过早的轴向裂纹的形成。即使有足够的油膜或者抗极压添加剂来防止金属和金属的接触，滚子的滑动也可以带来同样大拉伸应力。
速度、滑动、滑移和剥落所带来的问题在脂润滑的情况下会更糟。这是因为油脂黏度更大，会阻碍承载区外的滚动运动。
1、圆锥滚子轴承是预紧的，消除了内部游隙
2、预紧提高了径向和轴向的刚性，从而降低了运行中的变形，在低速运转的情况下，应用于风力发电机的优化承载区有确确实实的好处。
在低速运转时，滚子出了承载区后会失去附着力和滚动速度，从而由保持架推动他们，当滚子重新进入承载区后，在受载情况下重新获得附着力和滚动速度，滑动和斑点剥落可能会发生。这种滑动和剥落会进一步造成滚道和滚子在那些点处的大面积磨损。同时这也会对承载区油膜形成带来不利影响。
另外，这种滑动和剥落会带来很大的滚道/滚子次表层拉剪应力。这种拉应力，结合拉伸环应力，残余热处理应力以及滚动接触应力可以造成过早的轴向裂纹的形成。即使有足够的油膜或者抗极压添加剂来防止金属和金属的接触，滚子的滑动也可以带来同样大拉伸应力。
速度、滑动、滑移和剥落所带来的问题在脂润滑的情况下会更糟。这是因为油脂黏度更大，会阻碍承载区外的滚动运动。
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图7：调心滚子轴承的承载区
调心滚子轴承的表现比较差是因为大部分时间都只是一列滚子在受力。这种情况在大直径的调心滚子轴承情况更容易发生，因为大直径调心滚子轴承的内部游隙可以转化为在球体内相当大的轴向间隙。在外部作用力下，内圈相对于外圈会发生从左到右的偏移，直到右边一列滚子和外滚道接触为止。在这种情况下，双列调心滚子轴承的游隙都作用于左边一列滚子，使得左边滚子和外滚道脱开从而大部分时间不承载。
一列滚子不承载会带来很多问题，包括：
1、 调心滚子轴承的承载能力降低，样本寿命降低。
2、 由于单列承载会引起系统的轴向承载，滚子端面和挡边可能接触，这会带来更多的发热量，对润滑、轴孔配合及寿命的影响会更加复杂。
3、 不承载的一列滚子一直由保持架推动，几乎没有滚动，这会造成滑移滑动以及先前提过的相应的问题。
4、 在静载情况下发生假性压痕。
滚道应力
应力大小和承载区大小相关，系统有更好的承载区是非常重要的，当载荷由许多滚子以及两列滚子承受时应力值会小一些。
在当量载荷工况下双列圆锥滚子轴承的应力大小在所有情况下都比较好，调心滚子轴承的应力要比圆锥滚子轴承大。对于靠近转子那一列调心滚子来说，在一些运行工况下几乎没有应力，因为这一列没有承载。
结论
风机主轴轴承布置包括固定端和浮动端，双列圆锥滚子轴承加圆柱滚子轴承的方案相比两个调心滚子轴承的方案有着很大的优势，因为：
1、 双列圆锥滚子轴承提供非常好的径向和轴向承载能力。
2、 预紧的双列圆锥滚子轴承改善了承载区从而更好地分配了载荷提高了样本寿命。
3、 双列圆锥滚子轴承的游隙是预紧的，提供了很好的静态和动态刚性。
双列圆锥滚子轴承加圆柱滚子轴承的方案还有以下好处：
1、 减小主轴的轴向偏移。
2、 Z大程度提高系统的刚度。
3、 由于优化了预紧，Z大程度地提高承载区和轴承调整寿命。
4、 预紧的圆锥滚子轴承在运行时是纯滚动从而减小滚子滑移。
5、 减小了轴向偏移从而降低滚道发生疲劳损坏的风险。
6、 减小了轴向偏移从而在静载下降低了假性压痕的可能性。
7、 减小了轴向偏移从而降低了轴向挤压齿轮箱输入轴的风险。
8、 双列圆锥滚子轴承优化过的滚道形状可以在比较高的偏心情况下正常运行。
致谢
我们真挚地感谢Gerald Fox先生（铁姆肯公司首席技术专家）对本文的指导和贡献。
作者： Laurentiu Ionescu，铁姆肯公司罗马尼亚应用工程师团队主管；Thierry Pontius，铁姆肯公司欧洲区加工设备行业团队主管。
译者： 陆建国，铁姆肯公司中国区应用工程师；房宁，铁姆肯公司中国区高级应用工程师。
一列滚子不承载会带来很多问题，包括：
1、 调心滚子轴承的承载能力降低，样本寿命降低。
2、 由于单列承载会引起系统的轴向承载，滚子端面和挡边可能接触，这会带来更多的发热量，对润滑、轴孔配合及寿命的影响会更加复杂。
3、 不承载的一列滚子一直由保持架推动，几乎没有滚动，这会造成滑移滑动以及先前提过的相应的问题。
4、 在静载情况下发生假性压痕。
滚道应力
应力大小和承载区大小相关，系统有更好的承载区是非常重要的，当载荷由许多滚子以及两列滚子承受时应力值会小一些。
在当量载荷工况下双列圆锥滚子轴承的应力大小在所有情况下都比较好，调心滚子轴承的应力要比圆锥滚子轴承大。对于靠近转子那一列调心滚子来说，在一些运行工况下几乎没有应力，因为这一列没有承载。
结论
风机主轴轴承布置包括固定端和浮动端，双列圆锥滚子轴承加圆柱滚子轴承的方案相比两个调心滚子轴承的方案有着很大的优势，因为：
1、 双列圆锥滚子轴承提供非常好的径向和轴向承载能力。
2、 预紧的双列圆锥滚子轴承改善了承载区从而更好地分配了载荷提高了样本寿命。
3、 双列圆锥滚子轴承的游隙是预紧的，提供了很好的静态和动态刚性。
双列圆锥滚子轴承加圆柱滚子轴承的方案还有以下好处：
1、 减小主轴的轴向偏移。
2、 Z大程度提高系统的刚度。
3、 由于优化了预紧，Z大程度地提高承载区和轴承调整寿命。
4、 预紧的圆锥滚子轴承在运行时是纯滚动从而减小滚子滑移。
5、 减小了轴向偏移从而降低滚道发生疲劳损坏的风险。
6、 减小了轴向偏移从而在静载下降低了假性压痕的可能性。
7、 减小了轴向偏移从而降低了轴向挤压齿轮箱输入轴的风险。
8、 双列圆锥滚子轴承优化过的滚道形状可以在比较高的偏心情况下正常运行。
致谢
我们真挚地感谢Gerald Fox先生（铁姆肯公司首席技术专家）对本文的指导和贡献。
作者： Laurentiu Ionescu，铁姆肯公司罗马尼亚应用工程师团队主管；Thierry Pontius，铁姆肯公司欧洲区加工设备行业团队主管。
译者： 陆建国，铁姆肯公司中国区应用工程师；房宁，铁姆肯公司中国区高级应用工程师。
