风电主轴轴承选用材料解析

风电主轴轴承选用材料解析

在风电设备中，主轴轴承是确保风机稳定运行的关键部件之一。为了适应不同的工作条件，制造商通常会采用多种材料来制作这些轴承。以下是几种常见的风电主轴轴承材料及其特点：

1. 钢质材料

钢是制造风电主轴轴承最普遍的选择。常用的钢种包括40Cr和GCr15，它们以出色的强度和硬度著称，能够有效应对高速旋转过程中的压力和振动。此外，钢的成本效益较高，足以满足大多数风电主轴轴承的应用需求。

2. 耐热钢

对于需要在高速且高温环境中工作的轴承而言，耐热钢是一个理想的选择。这类钢材具备良好的高温强度及抗腐蚀性能。9Cr18MoV和H13等耐热钢被广泛应用于此类工况中。

3. 增强型聚合物

相较于传统的金属材料，增强型聚合物因其轻质、高强度和耐磨性而备受青睐。在小型风力发电机的轴承设计中，这种材料已经得到应用。不过，聚合物材料的强度和稳定性还需进一步研究与测试。

综上所述，各种风电主轴轴承材料各有千秋，在实际应用中应根据具体的环境条件和性能需求来挑选最适合的材料。

什么是风电轴承？风电轴承的分类与润滑

近十年来，风力发电作为一项可再生的绿色环保新型洁净能源，受到了各国的高度重视，得到了长足的发展。风力发电机用轴承主要包括：偏航轴承总成、风叶主轴轴承、变速器轴承、发电机轴承等，轴承的结构形成主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等。其中大型偏航轴承总成和风叶主轴轴承技术难度较大，现在基本依靠进口，是风机国产化的难点之一。风机轴承国产化可提高国内轴承工业的设计应用水平，缩小与国外先进水平的差距，促进国内轴承工业的发展和技术进步，另一方面，可以降低风电成本，加快我国新能源和可再生能源的发展。风电轴承是一种特殊的轴承，使用环境恶劣，高维修成本，要求高寿命。

风力发电机常年在野外工作，工况条件比较恶劣，温度、湿度和轴承载荷变化很大，风速最高可达23m/s，有冲击载荷，因此要求轴承有良好的密封性能和润滑性能、耐冲击、长寿命和高可靠性，发电机在2~3级风时就要启动，并能跟踪风向变化，所以轴承结构需要进行特殊设计以保证低摩擦、高灵敏度，大型偏航轴承要求外圈带齿。为了更好实现风机的最佳状态，因此轴承设计、材料、制造、润滑及密封都要进行专门设计，为风电设备的良好运行提供更有力的保障，可以在很大程度上可提高设备性能和可靠性。

在风电设备系统中维护保养也同样重要。风力发电机通常处在不易进行维护的地方，它们经常被安装在山上、沙漠里或海岸线上。状态监视系统能够协助监视传动系统的性能表现，而可预测性的维修保养能够提高这些系统的性能和可靠性，提高设备的有效运行时间。如通过振动分析、油液分析和红外热成像等手段监测设备状态，以判定最佳维修时机的维修流程；通过预测性维修手段可提高设备的运行可靠性，且仅在设备需要维修的时候进行维修，减少过度维修，降低维修成本。

风机轴承的技术

1、偏航轴承总成

偏航轴承总成是风机及时追踪风向变化的保证。风机开始偏转时，偏航加速度E将产生冲击力矩M=IE（I为机舱惯量）。偏航转速d越高，产生的加速度6也越大。由于I非常大，这样使本来就很大的冲击力成倍增加。另外，风机如果在运转过程中偏转，偏航齿轮上将承受相当大的陀螺力矩，容易造成偏航轴承的疲劳失效。

根据风机轴承的受力特点，偏航轴承采用"零游隙"设计的四点接触球轴承，沟道进行特别设计及加工，可以承受大的轴向载荷和力矩载荷。偏航齿轮要选择合适的材料、模数、齿面轮廓和硬度，以保证和主动齿轮之间寿命的匹配。同时，要采取有针对性的热处理措施，提高齿面强度，使轴承具有良好的耐磨性和耐冲击性。

风机暴露在野外，因此对该轴承的密封性能有着严格的要求，必须对轴承的密封型式进行优化设计，对轴承的密封性能进行模拟试验研究，保证轴承寿命和风机寿命相同。风机装在40m的高空，装拆费用昂贵，因此必须有非常高的可靠性，一般要求20年寿命，再加上该轴承结构复杂，因此在装机试验之前必须进行计算机模拟试验,以确保轴承设计参数无误。

2、风叶主轴轴承

风叶主轴由两个调心滚子轴承支承。由于风叶主轴承受的载荷非常大，而且轴很长，容易变形，因此，要求轴承必须有良好的调心性能。确定轴承内部结构参数和保持架的结构形式，使轴承具有良好的性能和长寿命。

3、变速器轴承

变速器中的轴承种类很多，主要是靠变速箱中的齿轮油润滑。润滑油中金属颗粒比较多，使轴承寿命大大缩短，因此需采用特殊的热处理工艺，使滚道表面存在压应力，降低滚道对颗粒杂质的敏感程度，提高轴承寿命。同时根据轴承的工况条件，对轴承结构进行再优化设计，改进轴承加工工艺方法，进一步提高轴承的性能指标。

4、发电机轴承

发电机轴承采用圆柱滚子轴承和深沟球轴承。通过对这两种轴承的结构设计、加工工艺方法改进、生产过程清洁度控制及相关组件的优选来降低轴承振动的噪声，使轴承具有良好的低噪声性能。

风电轴承的润滑

风电齿轮箱输入轴的转速一般在10-20转/分钟,由于转速比较低，导致输入轴轴承也就是行星架支撑轴承的油膜形成往往比较难。油膜的作用是在轴承运转时分开两个金属接触面，避免金属与金属直接发生接触。我们可以引入一个参数λ来表征轴承的润滑效果(λ定义为油膜厚度与两接触表面粗糙度之和的比值)。

(大国龙腾运转世界 龙出东方 腾达天下 龙腾三类调心滚子轴承 刘兴邦 )

如果λ大于1，说明油膜的厚度足够分开两个金属表面，润滑效果良好；而如果λ小于1，则说明油膜的厚度不足以完全分开两个金属表面，润滑效果不理想。在润滑不良的情况下运转，轴承有可能会发生如图一所示的损伤。由于风电齿轮箱一般都采用ISOVG320粘度的循环润滑油，因此如果发现λ小于1，我们一般只能通过降低轴承滚道及滚子的粗糙度来改善润滑效果。

另外，在齿轮箱设计时，行星架支撑轴承要尽量避免一端轴承的尺寸太小，在实际的应用分析中我们发现即使寿命满足条件，这种设计也会导致小轴承的线速度非常低，油膜更加无法形成。

风电轴承的承载区

在运转轴承的滚子中一般只有一部分同时承受载荷，而这部分滚子所在的区域称之为轴承的承载区。轴承承受的载荷大小，运行游隙的大小都会对承载区产生影响。如果承载区范围太小，滚子在实际的运转中则容易发生打滑现象。

对于风电齿轮箱而言，如果主轴的设计采用双轴承支撑的方案，那么理论上只有扭矩传递到齿轮箱。在这种情况下，经过简单的受力分析，就不难发现行星架支撑轴承承受的载荷是比较小的，因此轴承的承载区往往也比较小，滚子容易发生打滑。在风电齿轮箱设计中行星架支撑轴承一般采用两个单列圆锥轴承或者两个满滚子圆柱轴承的方案。

可以通过适当预紧圆锥滚子轴承或者减小圆柱滚子轴承游隙的方法来提高承载区。

风电轴承的制造材料

不同部位的轴承采用不同的材料及热处理，如提高偏航和变桨轴承用40CrMo钢的低温（环境温度-40℃∽-30℃，轴承工作温度在-20℃左右）冲击功等力学性能的热处理方法，表面感应淬火的淬硬层深度、表面硬度、软带宽度和表面裂纹的控制；增速器轴承用相当于国外STF、HTF钢的研制及控制其残余奥氏体最佳含量的研究；主轴轴承在国产真空脱气钢质量尚存在一定差距的情况下，采用电渣重熔渗碳钢ZG20Cr2Ni4A制造等。