风电轴承的设计与制造(上)

近年来由于环境和能源问题日趋紧张,风电作为一种可再生绿色能源越来越受到世界关注,尤其是近十年,全球风电累计装机容量的年均增长率接近30%,到2009年底世界总的风能发电容量将突破12亿万MW。据欧洲《风力十二》的规划和预测,到2020年全世界风能装机容量将达到123. 1万MW,这一水平是2005年的21倍,年平均增速高达20%,届时风电将占世界电力供应的12%.

近十几年中国风电装机容量迅猛增加,从1995年至今,我国风电装机容量年增长率超过46%。按照国家《可再生能源中长期发展规划》提出的目标到2010年我国风电装机容量将达0. 5万MW,到2015年我国风电装机容量达1. 5万
MW,到2020年我国风电装机容量达3. 0万MW。现在2010年的目标已提前三年完成,按照目前发展速度,预计到2020年我国风电装机容量将达8. 0万MW,在2030年后风电将成为我国继煤炭、石油之后的第三大能源.

风电能源的需求拉动风电产业的发展,长期以来国内风电产品大多依赖进口,市场一直被丹麦、德国、美国、西班牙等欧美国家把持。近年来,在市场的诱导和政策的促进下国内涌现出了一批优秀企业,从市场份额看,国产机组比例也在上升,目前国内叶片、齿轮箱、发电机等零部件已基本能实现自主生产,但轴承、控制系统等还是主要依赖进口。

转盘轴承是一种特大型轴承,内圈或外圈带有传动齿,可以和驱动小齿轮啮合传动扭矩,在风力发电机中一般用于偏航系统和变桨系统中,由于安装位置不易拆装且拆装费用高,周期长,对偏航和变桨转盘轴承的寿命和可靠性提出了严格要求,一般要求风电转盘轴承的寿命要与机组寿命相同,且在20年以上。从世界范围来看,RotheErde, FAG, SKF等著名轴承公司的风电转盘轴承产品质量已得到广泛的认可,国内近年来也相继有厂家投入风电转盘轴承的生产,但质量水平还有待长时间装机应用的验证。风电转盘轴承质量的保证不外乎设计和制造两个方面,本文综合国内、外部分企业和机构对风电转盘轴承的设计和制造经验,对风电转盘轴承的设计和制造关键技术作了探讨,以期能够对相关企业和设计人员有所帮助。

转盘轴承一般有单排四点接触球式、双排四点接触球式、交叉滚子式、三排滚子式等形式,其中单排四点接触球式转盘轴承成本较低,且综合性能较高;双排球式转盘轴承使用寿命长,承载能力强,回转阻力小,允许磨损量大,对安装基座要求不高,但其运动精度较低;交叉滚子式转盘轴承精度高,寿命长,动载荷容量较高,但对基座刚性
和精度有较高要求,且滚子与滚道在接触时易发生边缘效应,导致边缘实际应力远大于设计应力;三排滚子式转盘轴承一般具有非常高的静承载能力。在一般的应用场合,通常认为中小规格的转盘轴承应以四点接触单排球式为主,大规格的转盘轴承应以三排滚子式为主。长期以来,转盘轴承主要应用于工程机械,选型计算主要也是借助承载能力曲线,按照静载强度选型,动载校核,静载与动载的处理手段也仅在于安全系数的选取不同。国内标准统一规定了每种规格转盘轴承承载能力曲线,很显然由于生产厂家的制造水平有差异,每个厂家生产的转盘轴承承载能力也会有一定的差异。风电转盘轴承除了受较大的倾覆力矩外,由于空气动力和叶轮转动还承受非常复杂的疲劳载荷,再加上高可靠性和寿命的要求,使得风电转盘轴承在选型和设

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