風(fēng)電齒輪箱軸承應(yīng)用分析探討

風(fēng)電齒輪箱是整個(gè)風(fēng)機(jī)中非常重要的部件，由于常年受到變載荷及強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊，因此在設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)上有別于普通齒輪箱。而且隨著風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)功率的不斷提升，風(fēng)電齒輪箱在滿足傳遞載荷的前提下，體積必須要盡可能小，重量必須要盡可能輕，使用壽命卻依然要達(dá)到20年以上。而國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用實(shí)踐表明，在風(fēng)電齒輪箱的所有零部件里，軸承是最薄弱的環(huán)節(jié)之一。因此，對(duì)軸承進(jìn)行必要的應(yīng)用分析是保證齒輪箱可靠性的重要手段。本文將以最常見的風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)形式為例，具體介紹如何通過對(duì)軸承的應(yīng)用分析，來幫助提高風(fēng)電齒輪箱的可靠性，達(dá)到減少停機(jī)時(shí)間，提高風(fēng)電齒輪箱可靠性的目的。
　　一風(fēng)電齒輪箱軸承潤(rùn)滑分析
　　眾所周知，風(fēng)電齒輪箱輸入軸的轉(zhuǎn)速一般在10-20轉(zhuǎn)/分鐘,由于轉(zhuǎn)速比較低，導(dǎo)致輸入軸軸承也就是行星架支撐軸承的油膜形成往往比較難。油膜的作用是在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)分開兩個(gè)金屬接觸面，避免金屬與金屬直接發(fā)生接觸。我們可以引入一個(gè)參數(shù)λ來表征軸承的潤(rùn)滑效果(λ定義為油膜厚度與兩接觸表面粗糙度之和的比值)。如果λ大于1，說明油膜的厚度足夠分開兩個(gè)金屬表面，潤(rùn)滑效果良好；而如果λ小于1，則說明油膜的厚度不足以完全分開兩個(gè)金屬表面，潤(rùn)滑效果不理想。在潤(rùn)滑不良的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承有可能會(huì)發(fā)生如圖一所示的損傷。由于風(fēng)電齒輪箱一般都采用ISOVG320粘度的循環(huán)潤(rùn)滑油，因此如果發(fā)現(xiàn)λ小于1，我們一般只能通過降低軸承滾道及滾子的粗糙度來改善潤(rùn)滑效果。另外，在齒輪箱設(shè)計(jì)時(shí)，行星架支撐軸承要盡量避免一端軸承的尺寸太小，在實(shí)際的應(yīng)用分析中我們發(fā)現(xiàn)即使壽命滿足條件，這種設(shè)計(jì)也會(huì)導(dǎo)致小軸承的線速度非常低，油膜更加無法形成。
　　二風(fēng)電齒輪箱軸承承載區(qū)分析
　　在運(yùn)轉(zhuǎn)軸承的滾子中一般只有一部分同時(shí)承受載荷，而這部分滾子所在的區(qū)域我們稱之為軸承的承載區(qū)。軸承承受的載荷大小，運(yùn)行游隙的大小都會(huì)對(duì)承載區(qū)產(chǎn)生影響。如果承載區(qū)范圍太小，滾子在實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)中則容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。對(duì)于風(fēng)電齒輪箱而言，如果主軸的設(shè)計(jì)采用雙軸承支撐的方案，那么理論上只有扭矩傳遞到齒輪箱。在這種情況下，經(jīng)過簡(jiǎn)單的受力分析，我們不難發(fā)現(xiàn)行星架支撐軸承承受的載荷是比較小的，因此軸承的承載區(qū)往往也比較小，滾子容易發(fā)生打滑。目前，在風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)中行星架支撐軸承一般采用兩個(gè)單列圓錐軸承或者兩個(gè)滿滾子圓柱軸承的方案。我們可以通過適當(dāng)預(yù)緊圓錐滾子軸承或者減小圓柱滾子軸承游隙的方法來提高承載區(qū)。圖二給出的是減少游隙前后承載區(qū)的比較。
　　另外，對(duì)承載區(qū)的分析可以幫助我們了解雙列軸承是否存在僅有一列承載的問題。目前很多風(fēng)電齒輪箱制造商在高速軸上采用圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承的方案，這種方案解決了傳統(tǒng)球軸承加圓柱滾子軸承方案中球軸承容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕和剝落的問題，但是這種方案必須要注意一個(gè)問題，那就是要避免雙列圓錐滾子軸承發(fā)生單列承載的現(xiàn)象。雙列圓錐滾子軸承單列承載危害很大：一方面使得軸承的實(shí)際承載能力大大降低，從而導(dǎo)致疲勞壽命急劇減小，另一方面使得不受力的一列滾子容易處于打滑狀態(tài)。而通過對(duì)承載區(qū)的分析，我們可以了解所選擇的雙列圓錐滾子軸承是否存在單列承載的問題，并且可以采取針對(duì)性的措施。風(fēng)電齒輪箱高速軸的轉(zhuǎn)速一般為1100-2000轉(zhuǎn)/分鐘，由于轉(zhuǎn)速比較高，軸承所選擇的游隙值相對(duì)其他位置軸承一般要大一些，但是游隙比較大也容易造成單列承載的情況。
　　如果發(fā)現(xiàn)單列承載的現(xiàn)象確實(shí)存在，那么可以考慮采用不同錐角的圓錐軸承配對(duì)使用，如圖三所示，用大錐角軸承承受軸向力，而小錐角軸承則可以很好地避免不受軸向力一列脫開而導(dǎo)致單列承載。總而言之，對(duì)軸承承載區(qū)的分析可以幫助我們更好地了解軸承的運(yùn)行狀態(tài)，以便優(yōu)化軸承的選型以及完善齒輪箱的設(shè)計(jì)。
　　三風(fēng)電齒輪箱軸承應(yīng)力分析