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风力发电机组齿轮箱轴承

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-11-27

引言 由于风轮转速与发电机转速之间的巨大差距，使得齿轮箱成为风力发电机组中的一个必不可少的部件。在风力机的运行过程中，风轮的受力状况极为恶劣，经常在急剧变化的重载荷下连继运行数十小时，其所受到的各种载荷都通过主轴直接传递给齿轮箱的低速轴。而且，风力发电机组的设计通常要求在无人值班运行条件下工作长达20年之久，因此齿轮箱的轴承在此受到了真正的考验。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。本文先简要介轴承的选型，然后根据风力机的特殊工况，对齿轮箱轴承载荷的分析与计算提出方法，供设计人员参考。 1．轴承的选型 SKF轴承在箱体中应用广泛，在确定使用轴承之前，应该充分考虑其使用的要求，一般可参循以下几个要素： ⑴.可用空间 A：对小直径机轴可采用球轴承 对大直径机轴可采用圆柱，球面滚子，圆锥滚子轴承。 B：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，可采用圆柱滚子或承受复合负荷的深沟球轴承。 ⑵.负荷 选择原则为一般性负荷，高转速为球轴承。重负荷低转速选用滚 子轴承。而复合负载时应考虑特殊情况。 ⑶.精度 ⑷.转速 由样本可查知还与其所受润滑条件和轴承的径向游隙有关。 ⑸.噪音 ⑹.刚性 ⑺.对中 ⑻.轴向位移 ⑼.安装与拆卸 总的来讲，轴承应用应考虑以上几个基本情况。目前SKF已在世界上风力发电比较发达的国家如美国，西班牙，丹麦，德国等设备上广泛使用。例如西班牙的Ecotecnia公司，SKF就为其设计了圆锥滚子轴承，并采用了先进的软件进行摸拟轴承在未投入实际前就展示出其运行情况。 当确定好某个型号后，其寿命情况根据公式L10=（C/Peq）ε可得其百万转为单位的额定寿命。但考虑到实际应用中会有很多条件，比如风力机的受力状态和工作状态的不稳定性，以及日常的维护及保养等等，对额定载荷C和当量动载荷Peq应加以修正。SKF通过由一系列优质产品和服务组成的无忧运转计划可防止超过60%的轴承出现过早损毁。此外，SKF在球面滚子SKF Explorer探索者系列和CARB系列等这系列新的产品上，可提供更高的负荷额定，更长的寿命，及更紧凑的配置，达到降低成本，增加设备运行时间。 对一般性故障排除主要还是借助相关检测设备进行操作，只有这样才可能高效准确的查找原因，并予以及时正确的排除。SKF的设备状态监测系统如Marlin可对设备的振动（速度和加速度）和温度进行测量和分析，提前对设备问题预警，以避免故障停机。配备相关的附件，可以收集到一系列数据，从而有效的防止问题的发生。 2．轴承的设计 轴承设计应考虑以下两个条件： （1） 静态承载能力，通常考虑极限载荷； （2） 轴承的使用寿命，通常考虑额定运行载荷。 轴承的设计计算一般按照DIN281或轴承制造商提供的方法进行。 （1） 极限负荷下的载荷承受能力 极限负荷下的载荷承受能力，其安全系数不应小于2。静态承载能力定义为轴承的静态负载Co与等效静态负荷Po之比。 （2） 使用寿命确认 使用寿命计算采用估算法，其故障的可能性应低于10%，计算的使用寿命不小于130000小时。计算时应考虑轴承的温度、润滑方式、润滑剂粘度、油膜间隙等。 平均等效动态轴承载荷 其中，Peqi??等效动态轴承载荷 ni??Pi作用下轴承旋转的次数 N??轴承旋转的总次数。 平均等效动态轴承载荷的分析采用简化的载荷变化频谱： 平均等效动态轴承载荷的确定，基于额定载荷的60%，P60=60%Pr。在此基础上叠加一个变化幅度为±30%额定载荷的正弦分量。 例：轴承的载荷频谱 平均等效动态轴承载荷为： Peq=1.11×P60 但考虑到风力机运行工况的复杂性，有关专家荐议： 如果考虑风力扰动，Peq1=0.77Pr 如果考虑风力高频变化因素，Peq2=0.033Pr 如果考虑风力机长时间过功率，Peq3=0.05Pr 如果考虑环境温度等因素，Peq4=0.02Pr 如果考虑齿轮箱自身的动力学因素，Peq5=xPr 因此如果考虑到上述因素，Peq=0.85Pr 3、轴承报废的一般标准和判断 滚动轴承的失效形式主要有疲劳剥落，过量的永久变形和磨损。疲劳剥落是正常失效形式，它决定了轴承的疲劳寿命；过量永久变形使轴承在运转中产生剧烈的振动和噪声；磨损使轴承游隙、噪声、振动增大，降低轴承的运转精度，一些精密机械有的轴承，可用磨损量来确定轴承寿命。 疲劳剥落可根据使用寿命，由基本额定动载荷限定载荷能力；过量永久变形可由基本额定静载荷限定载荷能力；磨损尚无统一的计算方法。 由于轴承的损坏的主要是由于噪声、温度、速度、振动、对中、润滑情况、轴承状态等因素造成的。在轴承工作位置可安装相应的传感器和测试仪器进行检测。根据检测信号的异常程度即可判断轴承是否损坏。对于齿轮箱的轴承应进行实时监测，以便提前发现故障。
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