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  ISSN 1000- 3762 轴 承 2008年 12期 CN 41- 1148 /TH Bear ing 2008, N o. 12 丈量与仪器 45- 50 风力发电机用轴承简述 陈 龙 1, 杜宏武2, 武修柯 1, 王 玲1 ( 1. 河南科技大学 机电 工程学院, 河南 洛阳 471003; 2. 河南三维重工有限公司, 河南 洛 阳 471003) 摘要: 先容了风力发电机中涉及到轴承部件的事业条款, 风力发电机用轴承的常用类型及其正在 风力发电 机内的 安设身分、事业条款等使用方面的实质。 合头词: 滚动轴承; 展转支承; 风力发电机 中图分类号: TH 133. 33; TM 315 文献标记码: B 著作编号: 1000- 3762( 2008) 12- 0045- 06 1 风力发电行业发出现状 风能行为可再生绿色能源受到寰宇各邦的高 度珍惜 [ 1] , 近年来 风力发电技巧朝 着大型化、商 品化、适用化、集群化偏向迅疾成长, 发电本钱持 续低重, 家当不竭滋长强大 [ 2- 5] 。 20世纪 80年代从此, 美邦、欧洲、日本以及中 京城诀别作战了大宗风力发电场[ 6] 。奇特是近 10 年来, 跟着新颖高新技巧的成长以及各邦能源和环 保认识的巩固, 寰宇风力发电技巧博得了长足的发 展。据统计, 1994 年 环球 风力 发 电装 机 容量 为 3 500 MW, 1998年为 9 000MW[ 1] , 2002岁尾, 寰宇 累计装机容量为 32 037 MW, 此中 2002年新安设 的容量为 7 231 MW [ 6 ]。 2003年风电装机德邦 14 600MW, 美邦 6 370MW, 西班牙 6 200MW, 诀别比 2001年伸长了 66. 85% , 50% 和 85. 8% 。截至 2006 年岁尾, 环球风电装机容量已达 74 223 MW, 比上 年填充 15 197 MW, 伸长 25. 6% [ 2] 。 2007年寰宇 的安设总量到达 83 319 MW [ 7] 。 收稿日期: 2008- 03- 19 滚动体的插手偏差, 况且根本能够将因某个偶尔 身分酿成的丈量偏差对全数丈量结果的影响降到 很小的周围内。 3 终结语 通过对影响 X093Z轴向逛隙丈量仪精度的各 个身分的领会, 选取了相应的要领, 低落了各身分 对其精度的影响, 担保本仪器全部切合 G JB269A - 2000高精度的丈量条件。使仪器的丈量反复性 到达 3 m ( 10次丈量的最大差值 ) 以内, 示值偏差 我邦 1993年风电装机容量为 17. 1MW, 1997 年跃升至 166. 5 MW, 1998年增至 226 MW, 2001 年为 345MW, 2003年我邦风电装机容量仅有 567 MW, 年新增 装机缺乏 100 MW [ 1] 。 2004年是 我 邦风电成长的一个改变点, 风电新增装机容量加 疾, 2004 - 2006 年 的 同 比 增 幅 都 超 过 100% 。 2006年我邦总装机容量到达 2 599 MW, 年新增 装机容 量 达 到 1 334 MW, 新 增 装机 数 大 约 是 2005年总装机容量的 2. 5倍。只管近年我邦风 电家当成长迅猛, 但总体秤谌和寰宇风电行业的 成长仍有强壮差异 [ 8] 。 凭据寰宇 900 众个景象站陆地上离地 10 m 高度材料举行估算, 寰宇均匀风 功率密度为 100 W /m 2, 风能资源总储量约 32. 26 105 MW, 可开 发和操纵的陆 地优势能储量有 2. 53 105 MW。 别的, 近海可开垦和操纵的风能储量有 7. 5 105 MW, 共计约 1. 0 106 MW。从 这些数据比照 可 以看出我邦的风能家当还具有强壮的成长潜力, 我邦政府也推出了各类的优惠要领鞭策邦内风电 以及风电装备修制企业的成长 [ 3 ] 。 正在 3 m 以内, 有用地满意了用户的条件。 参考文献: [ 1] G JB269A - 2000, 航空滚动轴承通用楷模 [ S]. [ 2] 彭 兰. 布置误 差对轴承 径向逛 隙测试 的影响 [ J] . 轴承, 2003( 10): 40- 43. [ 3] 周俊福, 姚心仪. 用回归领会法琢磨单列向心 球轴承 径向和轴向逛隙 的 合联 [ J] . 轴 承, 1983 ( 2): 13 1 5. (编辑: 温朝杰 ) 46 轴承 2008. . 12 正在风电装备修制技巧上, 邦际风电界永恒致 力于抬高风电机组体例太平性和 牢靠性、抬高发 电效能、开垦更大型 风电机组和超大型近海专用 风电机组、采用新型机组布局和把握形式及资料、 改进风电场选址和打算技巧, 以不竭低落风力发 电本钱和放大可经济操纵风能资源量。此中, 大 型风力发电机组的研制与使用, 一方面加快了风 力发电技巧的成长, 一方面抬高了风力发电量, 有 利于低落风力发电本钱。单机容量 1 ~ 3 MW 机 组目前仍是邦际主流风电机组, 5 MW 风电机组已 加入试运转; 兆瓦级机组中广泛采用变速、变桨距 技巧, 从风轮到发电机的驱动式子要紧分为 3种: 采用三级齿轮驱动的变桨距双馈式变速恒频风电 机组、无变速箱直驱 永磁风电机组和单级齿轮驱 动的搀和驱动风电机组。主流机组已广泛采用轻 质高功能玻璃纤维叶片, 更大的 5~ 10 MW 叶片 则滥觞测试使用碳纤维资料 [ 8- 15] 。 目前我 邦并网 型风力 发电机 市集 要紧 由丹 麦、德邦和美邦霸占着。限制我邦风电装备成长 的身分是邦内还没有正在风力发电上杀青良众本身 的专有技巧, 如刻板打算及工艺技巧、把握技巧、 体例技巧等。此中轴承的打算修制技巧仍旧是限 制我邦风电装备邦产化的要紧因 素, 险些是风电 装备邦产化成长的瓶颈。针对目前我邦风力发电 机轴承打算、修制和 运用单元永恒凭履历对这一 产物举行打算和修制的情形, 寰宇滚动轴承程序 化技 术 委 员 会 也 已 制 定 了 相 合 标 准 JB /T 10705- 2007滚动轴承: 风力发电机轴承。该程序 原则了偏航、变桨转 盘轴承以及传动体例轴承的 打算、修制、检测和验收程序, 以期对我邦的风力 发电机用轴承的成长起到鞭策效力。 2 风力发电机布局及所用轴承 风力发电机要紧布局式子有秤谌轴式和笔直 轴式两种。秤谌轴式风力发电机是目前技巧上最 成熟、分娩量最大的一种, 目前邦内要紧采用此结 构式子。依照传动体例的不同, 风力发电机又可 分为涡轮式风力发电机和直驱式风力发电机。传 统的涡轮式风力发电机由偏航体例、风轮、增速器 变 速 箱、发 电 机、控 制 系 统 和 塔 架 等 部 件 组 成 [ 16- 18 ] 。变速箱是兆 瓦级风力发电 机组中过早 损坏率较高的部件, 所以目前外洋又滥觞鼎力发 展直接驱动型的风力发电机组 (又称无齿轮风力 鼓动机 ), 这种机组采用众级异步电机与叶轮直接 毗连举行驱动的方 式, 免除了变速箱这一古板 部 件, 具有低噪声、机组寿命长、机组体积小、运转维 护本钱低、低风速时效能上等甜头 [ 19 - 20] 。 风力发电机机舱一般安设正在 40~ 60 m 高的 塔架上, 事业条款恶毒, 温度、湿度变革较大, 载荷 景况丰富, 对各个部位安设的滚动轴承提出了 更 高的条件 [ 1] 。风力发电机组中的轴承包含偏航系 统轴承、变桨距体例轴承和传动体例轴承 [ 21] 。其 中偏航体例轴承采用 1 套展转支承, 变桨距系 统 轴承采用 3套展转支承。传动体例轴承包含了主 轴轴承、变速箱 轴承和发电机轴承。主轴轴承 的 数目依照风机类型区别而有所分歧, 以 BONUS 为 例, 150 kW 以下的风 机采用 2套带 安设边轴承; 250~ 300 kW 的风机只采用 1套主轴轴承, 借助齿 轮箱轴承行为第 2套主轴承; 600 kW 以上寻常采 用 2套轴承 [ 22] , 轴承的类型寻常为调心滚子轴承。 发电机轴承寻常采用 3套深沟球轴承和圆柱滚子 轴承。只要古板的涡轮式风力发电机组必要采用 变速箱, 变速箱有 3种布局式子, 第 1种式子需用 轴承 15套, 第 2种式子需用轴承 18套, 第 3种形 式需用轴承 23套。如许, 寻常风力发电机组轴承 数目均匀值为 26套 [ 1, 22 ] 。 目前, 千瓦级风 力发电机用轴承的修制厂 家 已较众, 而兆瓦级的还只要少数厂家有修制本领。 邦内目前可以配套的风力发电机用轴承要紧照样 偏航和变浆体例用 展转支承, 主轴轴承目前只 有 极少厂家举行了试制。别的, 固然片面厂家已 能 供给兆瓦级偏航和 变浆体例用展转支承, 但还 是 小兆瓦级。 3 偏航体例及其轴承 秤谌轴风力发电机必需偏航杀青对风, 偏航运 动由偏航机构 (睹图 1)杀青。风力发电机的偏航形 式要紧有两种: 主动偏航和自正在偏航。主动偏航用 于优势式机组, 操纵电机驱动; 自正在偏航用于下风 式机组, 操纵气氛动力驱动。风力发电机的偏航驱 动机构中包蕴电动机、减速器和驱动小齿轮。主动 偏航体例的偏航运动由偏航偏差把握, 当偏航偏差 高出肯定韶华段同意的周围时, 偏航滥觞启动。主 动偏航中, 断续的偏航运动使偏航齿轮容易爆发磨 损或断齿情景。为了裁减膺惩, 寻常风力发电机都 设备有偏航刹车以便正在不偏航时制动。偏航体例 布局图睹图 2[ 23] 。风力发电机偏航时, 偏航速度应 尽量低, 以避免陀螺力过大。 陈 龙等: 风力发电机用轴承简述 47 和硬度, 以担保 和主动齿轮之间寿命的般配。同 时, 要选取有 针对性 的热处 理要领, 抬高 齿面 强 度, 使轴承具有优秀的耐磨性和耐膺惩性。 偏航轴承是偏航体例中的要紧部件, 其位于 机舱的底部, 承载着 风力发电机主传动体例的全 部质地, 并通报气动推力到塔架, 用于确实合时地 调度风力发电机的迎风角度, 所以能够说, 偏航轴 承是风力发电机实时追踪风向变革的担保。 风力发电机滥觞偏转时, 偏 航加快率将出现 膺惩力矩。偏航转速越高, 出现的加快率也越大, 因为转动惯量尽头大, 如许使从来就很大的膺惩 力矩成倍填充。除膺惩力矩外, 风力发电机借使 正在运动历程中偏转, 偏航齿轮上还将担当相当大 的陀螺力矩, 容易酿成偏航轴承的事业劳累失效。 别的, 因为风力发电机正在野外高空境况中事业, 偏 航轴承事业正在风沙、雨水、盐雾、滋润等境况下, 给 其安设、润滑及维修都带来不 便。为此不光条件 偏航轴承具有足够的强度和承载 本领, 还条件其 运转稳定、太平牢靠、寿命长 (寻常条件 20年 )、润 滑、防腐及密封功能优秀。 凭据偏航轴承的受力特征 ( 同时担当轴向载 荷、径向载荷和推翻力矩 ), 偏航轴承一般采用单 排四点接触球或双排四点接触球 转盘轴承, 也有 采用交叉圆柱滚子转盘轴承的。单排四点接触球 或双排四点接触球转盘轴 承的布局参睹图 3a和 图 3b, 交叉圆柱滚子转盘轴承布局参睹图 3c。偏 航轴承的齿轮要选取适应的资料、模数、齿面轮廓 图 3 偏航体例与变浆体例用展转支承布局 4 变桨距体例及其轴承 变桨距体例总成 (图 4)用于调度叶片的迎风方 向。变桨距体例由变桨轴承、驱动机构、原动机及 其他附件构成。原动机有电动和液压两种式子。 图 4 变桨体例及其展转支承 变桨轴承安设于叶片和轮毂之间, 内、外圈通 过螺栓诀别与叶片 和轮毂连结, 使叶片能够相 对 其轴线回旋以到达变桨的目标。变桨轴承要紧承 受径向载荷、轴向载荷和推翻力矩。 变桨轴承性 能要紧 取决于 受载 时的 变形 量 (包含轴向变形和端面倾角 ), 所以条件该轴承能 确保轮毂和叶片布局具有足够的刚度。因为风速 变革等缘故, 该轴承所担当的推翻力矩通常变革, 所以连结螺栓的强 度校核较为要紧, 螺栓还应 该 预紧以抬高劳累强度。别的, 为了防卫变桨轴 承 正在额定风速邻近发 生早期劳累失效, 还应对变 桨 轴承举行等效载荷揣度 [ 24- 26] 。 凭据变桨轴承的事业特征, 条件变桨轴承 应 具有高牢靠性、运转乖巧而且寿命高出 20年。和 偏航轴承相通, 变桨轴承的齿轮也有较高的条件, 48 轴承 2008. . 12 同时还条件变桨轴承应具有优秀的密封功能。另 外, 思索到变桨轴承正在风力发电机上的安设身分, 寻常还条件对其举行皮相防腐处分。变桨轴承通 常采用单排四点接触球转盘轴承、双排四点接触 球转盘轴承、交叉圆 柱滚子转盘轴承或三排滚子 转盘轴承 (图 3d)。 5 传动体例及其轴承 风力发电机发电时, 风轮将 风能转换为刻板 能, 低速转动的风轮 通过传动体例由增速器变速 箱增速, 将动力通报给发电机 举行发电。传动系 统将风力发电机的叶片与发电机 联络起来, 寻常 传动体例的组成部件 包含轮毂、主轴、主轴轴承、 固定单位、齿轮箱和联轴器。传动体例中涉及到 轴承运用的部件包含主轴、变速箱和发电机, 以下 粗略会商上述部件 [ 22, 27] 。 5. 1 风力发电机主轴及其支承轴承 风力发电机组的主轴 (睹图 5)又称低速轴或 叶轮轴, 主轴从叶轮 通报扭矩到传动系的其他零 部件。风力发电机主轴一般采用回火硬化钢锻制 而成, 轴端加工成凸缘以担保与螺栓的毗连, 并采 取喷丸处分。主轴事业历程中的受力情形为悬臂 梁, 正在风力发电机的轮毂、风叶及其附庸部件的质 量效力下主轴将会出现较大的弯曲变 形。别的, 风力发电机的功率巨细区别, 轴承座之间间隔的 隔断也区别。对 于轴 承座 间距较 大的 风力 发电 机, 加工时难以担保轴承座的同轴度, 会填充轴的 变形。主轴由主轴轴承支承, 所以主轴上的效力 力以及变形都影响到主轴轴承。 主轴前轴承的安设身分位于转子轮 毂后, 后 轴承位于增速箱前, 与推力轴 承配合运用。主轴 的安设与秤谌面成大约 4 的夹角。风力发电机主 轴箱内部布局睹图 5。 主轴轴接受当的力要紧包含风叶及轮毂的重 量、主轴自重、主轴轴承 的支承力、推力轴承的 止 推力、风通过风叶及轮毂效力正在主轴的力, 所以主 轴轴承要紧担当径 向力, 也受片面因为风力而 产 生的轴向力。主轴轴承 受力情形较为丰富, 随 着 风力的变革而变革, 且会出现振动, 因而其所受载 荷难以正确揣度, 于是只可对轴承所受载荷进 行 估算。一般凭据几种工 况条款下的载荷、转速 及 韶华比来确定轴承的均匀当量载荷。 因为受力情形以及轴的变 形的影响, 风力 发 电机的主轴轴承必 须有优秀的调心功能, 所以 常 用风力发电机都运用球面滚子轴承 (图 6)行为主 轴轴承。球面滚子轴承 同意轴承正在运转时内、外 圈有微小的 偏斜和 错位。固然 寻常 倾斜 角不 大 (寻常约 0. 5 ), 但已能够担保正在风力发电机主轴 与轴承座之间任何的安设都不会出现边际荟萃应 力毁伤轴承。但球面滚子轴承应于风力发电机的 主轴轴承也不是没 有任何题目, 因为主轴安设 与 地面间有倾斜角度 的存正在, 所以主轴轴承容易 发 生锁死情景, 酿成主轴轴承的早期失效, 所以目前 外洋已有公司入手采用圆锥滚子轴承行为风力发 电机主轴轴承, 如 FAG 公司就开垦了采用渗碳钢 的双列圆锥滚子轴承。 风力发电机主轴轴承安设正在数十米高的高空 中, 其吊装和转换极为未便, 且本钱较高, 于是 同 样对轴承的寿命和 牢靠性提出了很高的条件, 一 般条件主轴轴承无障碍运转 13 万小时以上, 牢靠 度正在 95% 以上。这也是行业程序对付传动体例的 材质条件较高的一个要紧缘故。 图 5 风力电机主轴箱内布局 图 6 常用风力发电机主轴轴承布局 5. 2 变速箱及其轴承 因为风轮转速与发电机转速之间的强壮差异 (发电机的额定转速 1 000~ 1 500 r/m in), 磁感受 陈 龙等: 风力发电机用轴承简述 49 线圈或变速箱就成为风力发电机组中的一个必不 可少的部件, 其效力 即是将回旋叶片通报的较低 转速抬高到发电机的额定转速。磁感受线圈用于 直接驱动型的风力发电机组, 涡流式风力发电机 则采用变速箱。前者是近年鼎力成长的风力发电 机布局, 然后者则是古板布局。近年鼎力成长直 接驱动型的风力发电机组的要紧缘故就正在于变速 箱是涡流式发电机组障碍率最高 的部件, 而变速 箱的障碍众人半是因为轴承障碍酿成的 [ 2, 28] 。 风力发 电机 变 速 箱不 同 于 寻常 变 速 箱, 以 150kW 的 FLENDER SZAK1380为例, 其变速箱有 两组齿轮, 高速级和低速级。低速级上大齿轮被 安设正在空心轴上, 小 齿轮则被直接加工正在中心轴 上, 固定功率的风力 发电机配有固定传动比的变 速箱 [ 22] 。 小功率的风机众采用平行轴式变速箱, 而 450 kW 以上的风力发电机的变速箱则采用一个行星 轮和常用的两级传动齿轮组。风力发电机中行星 轮最根本的常用式子是一个内齿 轮, 固定正在统一 个行星臂上的 3个小齿轮和 1个太阳轮, 3个行星 轮绕着固定正在核心的平凡齿轮转动 [ 22 ] 。 正在风力机的运转历程中, 风 轮的受力情形极 为恶毒, 通常正在快速变革的重载荷下贯串事业, 其 担当的各类载荷都通过主轴直接通报给变速箱的 低速轴。况且, 风力 发电机组的打算一般条件正在 无人值班运转条款下事业长达 20年之久, 于是变 速箱的轴承正在此受到了真正的磨练。 变速箱中的轴承品种良众, 要紧有圆柱滚子 轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等。小直径机轴 可采用球轴承, 大直径机轴可采用圆柱滚子轴承、 球面滚子轴承或圆锥滚子轴承。当径向空间有限 时, 需采用截面较小的轴承。当轴向空间有限时, 可采用圆柱滚子或担当复合 载荷的深沟球轴承。 选取规矩为寻常性载荷、北京赛车官网网址高转速选用球轴承; 重载 荷、低转速选用滚子轴承。而复合载荷时应试虑 迥殊情 况。选 择历程 中还需 思索 精度、转速、噪 声、刚性、对中、轴向位移以及安设与拆卸等身分。 变速箱中的轴承要紧是靠变速箱中的齿轮油 润滑。润滑油中金属颗粒较量众, 使轴承寿命大 大缩短, 于是需采用迥殊的热处分工艺, 使滚道外 面存正在压应力, 低落滚道对颗粒杂质的敏锐水平, 抬高轴承寿命。同时凭据轴承的工 况条款, 对轴 承布局举行再优化打算, 校正轴承加工工艺, 进一 步抬高轴承的功能目标。 5. 3 发电机及其轴承 风力发电机中需采用轴承的最终一个部件就 是发电机, 发电机的内部布局睹图 7。因为风力发 电机保护 障碍, 对轴 承的寿 命和 牢靠性 条件高。 别的, 因为发电机轴承贯串高速事业, 所以对轴承 的精度提出了更高的条件 [ 29- 31] 。 1 电机轴; 2 滚动轴承; 3 转子; 4 铸铝转子锭; 5 接线 线 风力发电机发电机内部布局 发电机轴承 采用圆 柱滚子 轴承 和深 沟球 轴 承, 条件高精度、低振动和低噪声。发电机轴承需 要举行布局打算、加工工艺校正, 而且正在加工历程 中有举行洁净度把握及相干组件的优选来低落轴 承的振动噪声, 使轴承具有优秀的低噪声功能。 6 终结语 本文先容了风力发电行业近况以及风力发电 机用轴承的常用类型及其正在风机内的安设身分和 事业条款等实质。固然我邦风力发电技巧正在近年 迅猛成长, 但风能操纵水平以及风电装备技巧 的 成长和寰宇比拟都又有很大差异。限制我邦风电 装备成长的身分有 良众, 此中风力发电机用轴 承 对付风力发电机装置成长的影响日渐超越。以期 待更众的技巧立异和工艺校正, 管理瓶劲题目, 充 分操纵资源, 缩小与寰宇之间的差异。 参考文献: [ 1] 李媛媛, 叶亚 飞. 风力发 电机 专用 轴 承 [ J]. 轴 承, 2004( 2): 48- 49. 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(编辑: 张 旭 ) 滚动轴承质地考验 依照邦度和行业的相合轴承质地的最新考验程序 (共 70众个 ) 以及企业的现实考验景况, 体例先容了轴承原资料各项目考验, 并服从最常用的深沟球轴承和汽车配套用圆锥滚子轴承的加工纪律, 递次先容 了轴承零部件 ( 套圈、滚动体、依旧架 ) 的冷、热加工各道工序考验和成套轴承 的制品考验, 还周到先容了这些考验的检测项目、检测办法和占定程序。 中邦计量出书社出书, 每册订价 38元, 邮寄费 10元。必要者请与洛阳轴 承磋商所技巧材料发行室刘霞联络。 电 线

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