风力发电机组轴承的抗疲劳制造

风力发电机组轴承的抗疲劳制造 何加群 (中国轴承工业协会,北京 � 100055) 摘要:阐述了滚动轴承应用抗疲劳制造技术的重要性及其技术体系和相关体系。针对我国风力发电机轴承需 求旺盛和轴承企业仓促生产风力发电机轴承的现状, 阐述了风力发电机轴承抗疲劳制造技术研究和应用的紧 迫性及重要意义,详尽地介绍了风力发电机上偏航轴承、变桨轴承、主轴轴承、增速器轴承及发电机轴承的抗疲 劳制造技术。 关键词:风力发电机轴承; 抗疲劳制造;应用 中图分类号: TH133. 33; TM 614� � � 文献标志码: B� � � 文章编号: 1000- 3762( 2010) 12- 0050- 05 Anti- fatigueM anufacturing Technology forW ind Turbine Bearings HE Jia- qun ( Ch ina Bear ing Industry A ssoc ia tion, Be ijing 100055, China) Abstract: The im po rtance of app ly ing anti- fatiguem anufacturing techno logy in rolling bea ring and its technology sys� tem and re lated system are expounded. A imed at the strong dem and for w ind turbine bea rings in Ch ina and the curren t situation of dom estic bear ing en terpr ises in hurriedly producing w ind turbine bearings, the urgency and significance o f research and applica tion o f anti- fatiguem anufactur ing techno logy in w ind turbine bearings a re e laborated, and anti- fa tigue m anufacturing techno logy are introduced in deta il fo r yaw bear ings, p itch bear ing s, spindle bear ing s, speed in� creaser bear ing s and generator bea rings. Keyw ords: w ind turbine bearing; anti- fatiguem anufacturing techno logy; application 1� 轴承抗疲劳制造技术 疲劳破坏是滚动轴承典型的失效形式, 疲劳 失效形式包括次表面起源型、表面起源型和疲劳 断裂型 [ 1]。 针对上述轴承产生疲劳失效的原因, 通过成 形技术、热处理技术、机械加工技术、表面改性技 术和长效防护技术的运用, 抗疲劳细节的设计和 制造以及高纯净度高耐磨性轴承钢的研发和应 用, 可以改善轴承应力分布, 降低最大应力, 延缓 次表面和表面裂纹源的形成和疲劳裂纹的扩张, 提高强度极限,防止疲劳断裂等等, 进行抗疲劳制 造 [ 1] (表 1)。 2� 国内风力发电机轴承抗疲劳制造 技术应用的紧迫性 2. 1� 风力发电产业发展概况 � � 由于国家对包括风电在内的可再生能源发展 收稿日期: 2010- 08- 03; 修回日期: 2010- 08- 26 的高度重视, 我国风电产业 2004年以后出现了 �井喷式 发展的态势 (表 2)。我国风力发电机总 装配容量已由 2006年的世界第 6位上升到 2007 年的第 5位, 2008年的第 4位, 2009年的第 2位 (表 3) [ 2]。 2. 2� 庞大的市场 以装用轴承最多的传统的带齿轮箱异步交流 发电机为例测算风力发电机组装用轴承量。其中 偏航轴承 1套, 变桨轴承 3套, 发电机轴承 3套, 主轴轴承 3套,增速器轴承 16套, 合计 26套。此 外,还有驱动减速机轴承未计算在内。 按每年新增装机容量 10 000~ 12 000MW计 算,则每年需新增 750 kW ~ 3MW风力发电机约 10 000台左右,需轴承 26万套左右,其中特大型四 点接触球转盘轴承约 40 000套左右。按每台份 轴承销售额 60~ 70万元计算,则每年风力发电机 轴承总销售额为 60~ 70亿元,这对轴承生产企业 来说,是一个不小的市场。 ISSN 1000- 3762 CN41- 1148 /TH � 轴承 � 2010年12期 B ea ring 2010, No. 12 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 50- 54 表 1� 滚动轴承抗疲劳对策 工艺技术 措施 作用 效果 抗应力集中 抗次表面起源型疲劳 抗表面起源型疲劳 抗疲劳断裂 成形技术 ( 1)控温加热锻造 ( 2)热辗扩锻造 ( 3)冷辗扩 ( 4)锻造后快速冷却 ( 1 )保证轴承套圈金属流线垂直于受力方向 ( 2 )防止轴承套圈加热锻造过热、过烧,保持良好的金相组织 ( 3 )防止产生网状碳化物 ! ! 热处理技术 ( 1)在可控气氛或保护气氛中加热 ( 2)优化加热温度、加热速度和加热周期 ( 3)选择适当的冷却介质和冷却速度 ( 1 )获得高强度的金属基体组织 ( 2 )改善非金属夹杂物和碳化物的形状和分布状态 ( 3 )获得轴承内、外圈和滚动体硬度的最佳匹配 ( 4 )获得稳定的最佳残余奥氏体含量 ! ! ! ! 机械加工技术 ( 1)数控车床车削加工, 精确控制磨加工留量 ( 2)数控磨床进行精准磨加工 ( 3)数控超精机进行超精密光整加工 ( 4)修形技术的应用 ( 1 )获得良好的尺寸精度和几何精度 ( 2 )获得良好的表面粗糙度 ( 3 )获得能降低应力集中的表面轮廓 ( 4 )获得轴承内、外圈和滚动体表面粗糙度的最佳匹配 ! ! ! ! 表面改性技术 ( 1)离子注入( 2)表面涂覆 ( 1 )降低摩擦( 2 )提高耐磨性 ! 长效防护技术 ( 1)轴承外表面热喷涂耐腐蚀金属 ( 2)进行磷化处理 ( 3)采用密封结构 ( 1 )防止锈蚀 ( 2 )防止轴承内部润滑脂漏出,防止外部杂质进入轴承内部 ! 抗疲劳细节设计和制造 滚子和套圈工作表面对数曲线凸度修形 降低应力集中 ! 圆锥滚子轴承滚子球基面和内圈挡边接触位置和形状的优化 滚子球基面与内圈挡边的滑动面形成润滑油膜,减小滑动摩擦 ! 高纯净度轴承钢的研发和应用 采取真空脱气、电渣重熔、双真空 (真空感应炉 +真空自耗炉 )等冶炼高纯净度轴承钢 提高金属基体强度,降低钢中氧含量和非金属夹杂物含量,改善非金属夹杂物和碳化物的大小、形状和分布 ! ! ! 表 2� 我国风电产业发展概况 年份 新增风电装机容量 / ( ∀ 104 kW ) 累计风电装机容量 / ( ∀ 104 kW ) 同比增长率 /% 2004以前 # 45. 7 # 2004 30. 0 75. 7 65. 6 2005 50. 0 125. 7 66. 0 2006 134. 7 260. 2 107. 2 2007 330. 4 590. 6 127. 0 2008 624. 6 1 215. 2 106. 0 2009 1 400. 0 2 615. 0 115. 2 表 3� 2009年总装机容量前 10位国家 序号 国家 装机容量 / ( ∀ 104 kW ) 1 美国 3 516 2 中国 2 615 3 德国 2 578 4 西班牙 1 915 5 印度 1 093 序号 国家 装机容量 / ( ∀ 104 kW ) 6 意大利 485 7 法国 449 8 英国 405 9 葡萄牙 354 10 丹麦 347 2. 3� 紧迫性 风力发电机机组在野外 80 m以上的高空中 运行,不仅要承受冲击载荷和倾覆力矩,而且工作 环境非常恶劣。风场一般都在偏远地区, 风力发 电机的运输、吊装十分困难, 一旦轴承发生早期故 障,维修费用十分昂贵; 因此, 风力发电机机组要 求配套轴承至少要有 20年使用寿命和高可靠性。 由于我国风力发电产业 �井喷式 发展, 我国轴承 企业在风力发电机轴承领域仓促上阵, 缺乏深入 的研发,留下很多隐患, 将来有可能面临高额索 赔。因此,研究和应用风力发电机轴承的抗疲劳 制造技术已刻不容缓。 3� 风力发电机轴承抗疲劳制造技术 应用重点 3. 1� 偏航、变桨轴承 偏航轴承安装于塔筒顶端、机仓底部, 承载风 力发电机主传动系统的全部质量, 用于准确适时 地调整风力发电机的迎风方向。变桨轴承将桨叶 和轮毂结合在一起,根据风向, 调整桨叶迎风角度 达到最佳状态。 偏航和变桨轴承要有足够的强度和承受轴向 力、径向力和倾覆力矩联合作用的能力, 要求运行 平稳,启动力矩小,润滑、防腐及密封性能好。 ∃51∃何加群:风力发电机组轴承的抗疲劳制造 偏航轴承的结构形式主要有两种: 单列四点 接触球转盘轴承 (无齿式、内齿式、外齿式 )和双列 四点接触球转盘轴承 (无齿式、内齿式、外齿式 )。 变桨轴承多采用双列同径四点接触球转盘轴承 (无齿式、内齿式 )。偏航、变桨轴承是特大型转盘 轴承,外径 D = 1. 5~ 3 m, 质量为 0. 5~ 2 t。 3. 1. 1� 原材料 现行规定偏航、变桨轴承套圈采用普通 合金结构钢 42C rM o, 钢球采用普通 GC r15, GC r15SMi n轴承钢。应尽快制定中碳铬轴承钢国 家标准,对包括制造风力发电机偏航、变桨轴承的 G42CrM o等特种用途的中碳轴承钢的化学成分, 氧含量,非金属夹杂物和碳化物的大小、形状和分 布状态作定量控制。钢球应采用优质或高级优质 GC r15, GCr15SMi n钢。 3. 1. 2� 锻造 严格按工艺控制加热温度、始锻温度和 终锻温度, 防止过热、过烧。锻造后调质、正火或 退火必须严格按工艺规范执行。锻件若为外购或 外协加工,应采取有力措施, 加强对外协、外购件 的质量控制。 3. 1. 3� 热处理 为确保套圈沟道和齿轮齿面、齿根的表面淬 火硬度,有效硬化层深度达到标准要求,控制软带 宽度,防止变形和裂纹, 必须对加热感应器的形 状、与被加热面的距离、相对运动的速度、冷却液 的成分和冷却液流量等工艺参数经过反复试验进 行优化。通过热处理,要达到 - 20 % 的低温冲击 功不小于 27 J。 3. 1. 4� 沟道精加工 淬火后沟道的精加工有两种方式: 精磨和精 车。究竟哪一种方式为最佳, 众说不一,尚需进一 步探讨。精车的加工精度没有精磨的高, 但精车 可以防止磨削裂纹的产生, 没有磨削变质层。磨 加工双列四点接触球转盘轴承时, 两个沟道应一 次加工,最好用金刚石滚轮对砂轮一次进行修整, 以保证两个沟道的大小和位置的一致性。 3. 1. 5� 游隙控制 由于偏航和变桨轴承要承受不定风力所产生 的冲击载荷, 为减小在振动情况下滚动工作面的 微动磨损,变桨轴承的轴向游隙为零游隙或很小 的负游隙;偏航轴承的轴向游隙为 0~ 50 �m的小 游隙。小游隙和负游隙必然增大启动摩擦力矩。 应采取工艺措施, 使游隙和启动摩擦力矩均达到 使用要求。 3. 1. 6� 长效防护 因偏航、变桨轴承部分裸露在外,其外径需热 喷涂纯铝或纯锌进行防护。为防止轴承内部润滑 脂泄漏,外界杂质、水分侵入, 采用丁腈橡胶制造 的压板组合接触式密封圈对轴承进行密封。 3. 2� 主轴轴承 主轴起支承轮毂及叶片, 传递扭矩到增速器 的作用,主轴轴承主要承受径向力,要求具有良好 的调心性能、抗振性能和运转平稳性。主轴轴承 一般采用调心滚子轴承,大功率风力发电机采用 大锥角双列圆锥滚子轴承或三列圆柱滚子轴承。 3. 2. 1� 材料和热处理 主轴轴承的套圈和滚子采用电渣重熔冶炼的 高碳铬轴承钢 GCr15或 GC r15SMi n, 按&军用高碳 铬轴承钢滚动轴承零件热处理质量要求 ∋的规定 进行热处理。 3. 2. 2� 加工精度 调心滚子轴承由于其结构特点难以实现高精 度,精度一般最高只能达到 P5;而现在有的设计要 求 P4,因此需要采取特殊的工艺措施才能达到 [ 3]。 3. 2. 3� 滚道曲率设计 采取外滚道与滚子的高吻合率 ( 0. 96)和内滚 道与滚子的低吻合率 ( 0. 94)的组合, 既提高轴承 的疲劳寿命,又控制轴承的功率损耗 [ 4]。 3. 2. 4� 滚道、滚子的表面粗糙度匹配 为了降低摩擦力矩, 提高疲劳寿命, 使轴承在 正常工作时产生合理的正歪斜, 表面粗糙度作如 下匹配:滚子表面粗糙度优于内圈表面粗糙度, 内 圈表面粗糙度优于外圈表面粗糙度 [ 4]。 3. 2. 5� 滚道、滚子的硬度匹配 为了提高轴承的疲劳寿命, 选取滚子硬度的 下限高于滚道硬度的上限 [ 4 ]。 3. 3� 增速器轴承 在所有风力发电机配套轴承的抗疲劳制造 中,尤其要引起高度关注的是增速器轴承 (图 1)。 风力发电机增速器是大传动比的齿轮箱。其采用 3级变速齿轮传动, 输入端为 1级行星轮传动, 中 间轴及输出轴采用 2级平行轴传动 [ 5 - 6]。由于承 受的扭矩和转速波动范围大,传输负载易突变, 箱 体质量与安装空间有限制, 安装平台存在柔性变 形等,因而与传统的重载工业齿轮箱的应用环境 相去甚远。 ∃52∃ &轴承∋ 2010. ( . 12 图 1� 增速器轴承配置示意图 � � 20世纪 80~ 90年代,美国发生大量的风力发 电机增速器故障。M icon公司生产的增速器有 4 000多台在保质期内出现质量问题被迫更换, 致 使这家企业破产。目前, 在各部件失效造成风力 发电机停机中,增速器失效所占比例最高,为 20% 左右。而增速器故障的 80% 起源于有缺陷的轴 承。 因此,对风力发电机增速器及其配套轴承 (表 4)的可靠性研究, 已成为当前风能业界的难点和 重点。 表 4� 风力发电机组增速器各部位的轴承类型 [ 5] 使用位置 轴承类型 备注 行星齿轮支座 满滚子圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、圆锥滚子轴承 行星齿轮 满滚子圆柱滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承 满滚子圆柱 滚子轴承 (无外圈 ) 低速轴 自由端 调心滚子轴承、满滚子 圆柱滚子轴承、圆柱滚 子轴承 固定端 满滚子圆柱滚子轴承、 圆锥滚子轴承、调心滚 子轴承 中间轴 自由端 圆柱滚子轴承、调心滚子轴承 固定端 圆锥滚子轴承、调心滚 子轴承、圆柱滚子轴承 +四点接触球轴承 四点接触球 轴承 (用作 推力轴承 ) 输出轴 自由端 圆柱滚子轴承、调心滚子轴承 固定端 圆锥滚子轴承、调心滚 子轴承、圆柱滚子轴承 +四点接触球轴承、圆 柱滚子轴承 +圆锥滚子 轴承 四点接触球 轴承 (用作 推力轴承 ) 3. 3. 1� 设计技术 ( 1)系统设计技术。在风力发电机传动系统 研究上居全球领先地位的英国 Romax公司提出了 对增速器轴承受力分析和寿命计算的新观点、新 方法。在设计增速器轴承时, 不是对单个轴承进 行受力分析,而是将轴承与增速器视为一个整体, 在动态状况下, 作为一个系统来分析。分析过程 中,要考虑轴与箱体的变形, 多个轴承之间的相互 作用及非线性刚性, 轴承内部滚动体之间的载荷 分配等等。 ( 2)细节设计技术 [ 4]。调心滚子轴承采取外 滚道与滚子的高吻合率 ( 0. 97)和内滚道与滚子的 低吻合率 ( 0. 95)的匹配关系, 来提高轴承的疲劳 寿命。滚子工作表面粗糙度优于内滚道表面粗糙 度,内滚道表面粗糙度优于外滚道表面粗糙度, 有 利于滚子产生合理的正歪斜,以降低摩擦力矩, 提 高疲劳寿命。对圆锥滚子轴承滚子球基面和内圈 挡边接触位置和形状进行优化, 使滚子球基面与 内圈挡边的滑动摩擦面形成润滑油膜。 3. 3. 2� 材料和热处理 我国机械行业标准规定增速器轴承的套圈和 滚动体采用电渣重熔冶炼的高碳铬轴承钢 GC r15 或 GCr15SMi n,按&军用高碳铬轴承钢滚动轴承零 件热处理质量要求 ∋的规定进行热处理。 增速器在工作过程中, 齿轮磨损产生的微小 金属颗粒在轴承工作表面形成压痕, 压痕边缘形 成高的应力集中, 成为疲劳源, 最终导致剥落, 缩 短轴承使用寿命。日本 NSK公司开发的中碳合金 钢经碳氮共渗的 STF和 HTF钢, 通过严格控制碳 氮共渗工艺,使零件表面得到较多的稳定残余奥 氏体 (约 30% ~ 35% )和大量细小的碳化物、碳氮 化物。后者可保证表面的硬度和耐磨性, 使压痕 不易形成;前者可以降低压痕的边缘效应,阻止疲 劳源的形成和扩展, 从而大大提高轴承在如增速 器这样的污染润滑工况下的使用寿命 [ 5- 6]。这方 面,洛阳轴承研究所有限公司已进行了研发工作, 并取得初步成果 [ 7 ]。 3. 3. 3� 表面改性处理 表面改性是为了降低摩擦, 提高耐磨性,减轻 打滑造成的轴承工作表面的损伤。 高载荷工况下能正常工作的轴承在低载荷工 况下容易打滑。风力发电机在低风速时, 也就是 低载荷时,增速器中承载能力较大的轴承就容易 打滑。在风力发电机的整个寿命中, 会有大量的 停机操作,刹车尤其是紧急刹车引起的增速器轴 承打滑也是非常严重的。增速器行星架轴承经常 采用具有很好刚性的满滚子轴承。满滚子轴承的 滚子相互接触并且接触点具有相反的运动方向, 滚子之间的打滑是不可避免的。 ∃53∃何加群:风力发电机组轴承的抗疲劳制造 � 质量管理与标准化 � 滚动轴承寿命与可靠性试验的评定方法 张 � 伟1,汤 � 洁 1,胡留现 2 ( 1. 洛阳轴承研究所有限公司, 河南 � 洛阳 � 471039; 2.洛阳理工学院, 河南 � 洛阳 � 471023) 摘要:轴承寿命与可靠性试验后 ,需要对试验数据进行处理, 从而做出试验评定。介绍了W eibu ll分布图估计和 参数估计方法,并进行了实例分析。结果表明,采用序贯试验方法对小子样失效或无失效数据进行处理, 可以 较快得出评定结果,大大提高了试验效率。 关键词:滚动轴承; 寿命试验;可靠性试验 ;图估计; 参数估计;序贯试验 中图分类号: TH133. 33� � � 文献标志码: A� � � 文章编号: 1000- 3762( 2010) 12- 0054- 06 � � 轴承的寿命可靠性是轴承综合质量水平的体 现,是轴承的一个重要质量指标。通过轴承的寿命 可靠性试验可以反映出轴承成品以及零件的整体 收稿日期: 2010- 06- 22 质量水平。轴承经过寿命与可靠性试验后, 其试 验数据如何评估, 评定方法就显得尤为重要,且评 定方法必须能体现整个行业的先进水平, 需要给 轴承生产企业、用户、行业及第 3方认证机构一个 指导性文件。 � � 为预防打滑对轴承造成的损伤,国内制造风 力发电机轴承的优势企业已对增速器轴承进行低 温渗硫 (离子渗硫、液体渗硫等 )的表面改性处理。 德国 Schae ff ler公司从 2008年起供应的增速器圆 柱滚子轴承均采用复合氧化发黑处理,有效地防 止了打滑对轴承造成的损伤。 3. 4� 发电机轴承 风力发电机组发电机轴承的组配形式较多, 其中最常用的是深沟球轴承与圆柱滚子轴承组配 形式。用两套圆柱滚子轴承承受较大的径向载 荷, 深沟球轴承承受一定的轴向载荷。 国内轴承业界为提高风力发电机组发电机轴 承抗疲劳性能作了以下规定: ( 1)套圈和滚子材料 采用电渣重熔高碳铬轴承钢,按 &军用高碳铬轴承 钢滚子轴承零件热处理质量要求 ∋进行热处理; ( 2)游隙选取 C3; ( 3)精度选定 P5; ( 4)圆柱滚子 素线采用对数曲线。 风力发电机组发电机轴承经常因电蚀损伤而 失效,日本 JTEKT公司开发的此类轴承的滚动体 采用高绝缘性的陶瓷材料, 也有的企业在轴承外 表面上涂覆绝缘材料来解决电蚀问题。 4� 结束语 当前, 科技界倡导对新一代先进制造技 术 # # # 抗疲劳制造技术进行研究和应用, 这既是 对传统先进制造技术的传承, 又是制造技术的创 新。通过对风力发电机组轴承抗疲劳制造技术的 阐述,促进国内风力发电机组轴承抗疲劳制造技 术的研究及应用, 以满足风力发电机组对配套轴 承长寿命、高可靠性的要求; 同时推动全行业开展 对各类轴承抗疲劳制造技术的研究和应用。 参考文献: [ 1] � 卢 � 刚.滚动轴承的抗疲劳制造 [ C] / /第五届中国 轴承论坛集.洛阳: 洛阳轴承研究所有限公司, 2009: 19- 23. [ 2] � 李俊峰, 高 � 虎. 中国风电发展 ∃ 2007[ R ] .北 京: 中国环境出版社, 2007: 48- 49. [ 3] � 杨晓蔚. 风电产业、风电设备及风电轴承 [ J]. 轴承, 2009( 12): 54- 59. [ 4] � 孙立明, 陈 � 原, 宋 � 丽.风力发电机组关键轴承设 计技术 [ J] .轴承, 2008,特刊: 49- 54. [ 5] � 渡边哲雄. 风车轴承的高可靠性技术 [ R ]. 上海:恩 斯克中国技术中心, 2007: 1- 5. [ 6] � 蔵下义一. 风力发电机用滚动轴承 [ J]. 国外轴承技 术, 2009( 4): 54- 59. [ 7] � 刘耀中. 汽车轴承的材料及热处理长寿命技术 [ C] / /全国汽车轴承技术攻关专题研讨会论文集. 洛阳: 中国轴承工业协会技术委员会, 2008: 47- 53. (编辑:温朝杰 ) ISSN 1000- 3762 CN41- 1148 /TH � 轴承 � 2010年12期 B ea ring 2010, No. 12 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 54- 59