CN108223562A

CN108223562A - 风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法

Info

Publication number: CN108223562A
Application number: CN201711418590.XA
Authority: CN
Inventors: 杨超君; 周志明; 吴立; 王美冈; 徐小煜
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2018-06-29

Abstract

本发明涉及自润滑轴承技术，具体是指风电机组中的变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法。在轴承外圈的内滚道和内圈的外滚道表面和滚珠表面，三个表面上进行激光微织构加工，利用模具热压固化填充法填入固体润滑材料形成自润滑结构，减小轴承内滚珠与内外滚道之间的初始粗糙度，从而能有效提高风机轴承的使用寿命。

Description

风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法

技术领域

本发明涉及自润滑轴承技术，具体是指风电机组中的变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法。

背景技术

为了保证变桨/偏航轴承安全可靠地运行，在轴承工作时尽量减少摩擦磨损，避免轴承内部滚道与钢球表面失效，必须对轴承进行润滑。轴承的润滑有散热、防尘、防锈、尘封、缓冲等作用。对于海上风力发电机，轴承在低速、重载、含有海水的湿润空气中运行，有时还会频繁的转向，若润滑条件达不到要求，轴承则会由于过大的倾覆力矩得不到均匀分散而变形。传统的润滑方式是脂润滑，轴承开始运转时，滚珠与滚道之间的润滑脂薄膜分布不均匀，使轴承的初始粗糙度极大，导致初始阶段的磨损量大于正常阶段的磨损量。除此之外，润滑脂薄膜非均匀分布，还会导致轴承运转不平稳，承受很大倾覆力矩的变桨/偏航轴承就容易发生轴承损坏的事故。而固体润滑突破了这方面的局限性，在工件的相互运动期间，它会溢出复合润滑材料起到润滑的作用，这样不仅极大地降低了轴承运转的初始粗糙度，还能增加轴承运转的平稳性。

激光表面微织构技术是近年来发展最迅速的一种表面形貌加工技术，该技术为轴承内的摩擦副提供了一种新型的固体润滑方式，激光表面织构技术作为最新发展起来的一种先进的表面织构技术，具有加工效率高，加工精度高，可控性好，绿色无污染等优点。其可以加工出常见的圆形凹坑、三角形凹坑、四方形凹坑、直线型槽、V型槽、环形槽等表面织构形貌。

2014年公开的中国专利(申请号：201310663938.7)提出了一种滚道和球表面具有织构序列的滚动轴承，轴承的外圈内滚道表面织构序列是一组与内滚道接触点线速度的夹角在圆周方向上按规律变化的条状沟槽，轴承的内圈外滚道表面织构序列是一组与外滚道接触点线速度的夹角在圆周方向上按规律变化的条状沟槽，球表面织构序列是一条球形螺旋线沟槽。在该专利中，滚珠的运动方向受滚道织构的影响，沿织构方向，滚珠的润滑条件十分优越，但是偏离该方向，其润滑效果大打折扣，所以运用在变桨/偏航这种大型轴承上就非常不适用。变桨/偏航轴承的直径一般在2m以上，采用的材料一般是42CrMo和GCr15轴承钢，自身的重量很大，轴承需要承受很大的倾覆力矩。风机在海上工作，其轴承受力方向会时刻变化，对于大型滚动轴承需要一种新的润滑方法来提高其使用寿命。2015年张哲、陈国需等人石油学报上提出在润滑剂中层状二硅酸钠对二硫化钼的替代作用，文中论证了只有在重载，高温的情况下层状二硅酸纳的部分替代二硫化钼会取到最大的增益效果，所以层状二硅酸钠应用在大型风机轴承中的润滑是十分合适的。

发明内容

本发明的目的是为风力发电机组中的变桨/偏航轴承提供一种润滑的方法，以提高轴承的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明所提供的方案为：风力发电机组的变桨/偏航轴承的润滑结构，包括轴承外圈的内滚道和内圈的外滚道，滚珠。考虑到风机轴承的尺寸(一般直径一般2m以上)和复杂工况，在其外圈内滚道表面，内圈外滚道表面和滚珠表面，三个表面上进行激光微织构加工，利用模具热压固化填充法填入固体润滑材料形成自润滑结构，减小轴承内滚珠与内外滚道之间的初始粗糙度，从而能有效提高风机轴承的使用寿命。

具体操作步骤：

1)首先用激光发生器对轴承外圈的内滚道，轴承内圈的外滚道和滚珠表面进行织构加工，轴承外圈的内滚道，内圈的外滚道和滚珠表面用无水乙醇清洗，涂覆黑漆，再进行激光淬火加工，获得凹坑形貌，并使工件表面硬度达到62～65HRC，然后去除工件表面黑漆，清洗工件表面；采用二极管泵浦Nd：YAG激光发生器，聚焦透镜焦距为45～90mm，重复频率7.0～9.0Khz，激光波长1064nm，电流强度13～20A，扫描速度为5～25mm/s，凹坑直径35～200μm，深度6～60μm，圆形凹坑的排列由数控程序控制，轴承外圈的内滚道织构的面积占有率为15％～45％，滚珠上的织构面积占有率为15％～45％，轴承内圈的外滚道织构面积占有率为15％～45％，辅助气体采用N₂(体积百分比99.9％)。

然后将自润滑复合材料粘结进行处理：

2)将复合材料均匀混合；

3)粉料烘干(120～140℃，时长1～2h)；

4)使用模具热压固化填压法将固体润滑材料填充到工件表面的圆形凹坑中，压力为15Mpa，烧结成型(第一步250℃、加热25min，第二步370～400℃、加热40min，在体积百分比为99.9％的N₂保护、保温后随炉冷却)；

5)将加工完工件表面的多余复合材料去除，然后用无水乙醇清洗。

本发明中的复合材料的配方(按质量百分比)：

聚酰亚胺(PI)：10％～70％

聚四氟乙烯(粒度≤3μm)：0～50％

二硫化钼(MoS₂)：10％～30％

层状二硅酸钠(Na₂Si₂O₅)：10％～30％

石墨粉(粒度≤5μm)：0％～10％

添加剂(氮化硼或三聚氰胺氰尿酸络合物)：0～5％

本发明的有益效果在于：

1)本发明的表面微织构加工采用的半导体泵浦YAG激光器激光加工而成，与其他加工方式相比，激光加工更加环保，节能。

2)本发明通过对风力发电机组内的变桨/偏航轴承的进行激光微织构加工，与传统的风机轴承润滑相比，该轴承的接触面具有更好的耐磨性，耐腐蚀性。

3)本发明在风机轴承接触面加固体润滑剂，大大降低了轴承接触面的初始粗糙度，提高了风机轴承的使用寿命。

4)本发明通过对风机轴承的滚珠与内外滚道都进行微织构加工并且采用圆形凹坑的形貌，相比于条状沟槽，滚珠的运动轨迹不受织构排列形式的影响，其润滑条件更优越。

5)本发明中所有圆形凹坑的排列方式均为点阵排列，内外圈相邻两行的圆形凹坑沿轴向方向按45°角度错开排列，滚珠表面圆形凹坑水平方向按45°角度错开排列，使得滚珠在任意位置都有良好的润滑效果，可以更好适应海上桨叶的频繁转向，并且可以将受到的倾覆力矩及时分散。

6)本发明通过对风机轴承摩擦副进行激光微造型处理，获得圆形凹坑直径，由于风机轴承的规格大，需要加工出的凹坑直径比一般滚动轴承的凹坑直径大30～35％，使其硬化层比传统滚动轴承高出30％左右，接触面整体硬度达到62～65HRC。

7)本发明的固体润滑剂与常规的固体润滑剂相比，添加了层状二硅酸钠，与二硫化钼相比，层状二硅酸钠的价格比二硫化钼低，并且在中高负载的工作环境下层状二硅酸钠的润滑效果比二硫化钼更为优越。这不仅充分发挥了不同组分的协同润滑，更是在经济上降低了产品的成本。

附图说明：

图1为激光加工的微腔排列示意图。

图2为内外滚道表面凹槽织构的示意图。

图3为内外滚道表面圆形凹坑织构的示意图。

图4为滚珠表面织构示意图。

图5为滚珠与套圈滚道接触示意图。

图中：1、轴承外圈；2、滚珠；3、轴承内圈；4、保持架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

通过对激光淬火的套圈滚道表面和滚珠表面进行激光微织构加工，获得了理想的圆形凹坑，微观下的圆形凹坑属于点阵排列，如示意图1，内外圈相邻两行的圆形凹坑沿轴向方向按45°角度错开排列，滚珠表面圆形凹坑水平方向按45°角度错开排列，尺寸合理，利用模具热压固化填充法将固体润滑材料填入加工得到的圆形凹坑中，滚珠与内外滚道之间的润滑条件得到极大的改善，摩擦副之间的初始粗糙度相比传统单纯脂润滑降低了许多，轴承在运转周期内的磨损就会减少很多，其寿命也会大大提高。

本文中选用圆形凹坑的织构形貌是因为其运动方式更加多样化，不受内外圈滚道上的织构影响，如图2所示,内外圈滚道设有凹槽的织构序列，滚珠沿凹槽方向运动的润滑条件比其它部分好，一旦脱离该轨迹，与凹槽方向呈现一定夹角，滚珠就会受到很大的磨损，受力也会受到相应影响，如图3，4所示，因为内外圈滚道和滚珠的织构形式均为圆形凹坑，滚珠与滚道之间的固体润滑剂均匀分布，所以滚道上的织构对滚珠的运动轨迹没有影响，滚珠在任意位置都有良好的润滑效果，更加适合应用在变桨/偏航轴承上。

如图5所示，本文的发明内容针对的是变桨/偏航这种双排点接触轴承，这种滚动轴承体积和重量都非常大，直径一般在2m以上，因此其织构的尺寸也比较大，这样加工出的硬化层才能满足轴承在复杂工况下的使用条件，凹坑直径凹坑直径35～200μm，深度6～60μm，硬化层相比一般滚动轴承高出30％，硬度达62～65HRC。在轴承运行过程中，初始摩擦系数大幅度减小，磨损量也是大幅度减少。

具体加工步骤：采用半导体泵浦YAG激光发生器，聚焦透镜焦距为45～90mm，重复频率7.0～9.0Khz，激光波长1064nm，电流强度13～20A，扫描速度为5～25mm/s，凹坑直径35～200μm，深度6～60μm，圆形凹坑的排列由数控程序控制，外圈内滚道织构的面积占有率为15％～45％，滚珠上的织构面积占有率为15％～45％，内圈外滚道织构面积占有率为15％～45％，辅助气体采用N₂(体积百分比为99.9％)。

均匀混合复合材料，然后将粉料在120～140℃的温度下烘烤1～2h至干燥备用。所述自润滑复合材料质量百分比组分：聚酰亚胺(PI)：10％～70％；聚四氟乙烯(粒度≤3μm)：0～50％；二硫化钼(MoS₂)：10％～30％；层状二硅酸钠(Na₂Si₂O₅)：10％～30％；石墨粉(粒度≤5μm)：0％～10％；添加剂(氮化硼或三聚氰胺氰尿酸络合物)：0～5％。

使用模具热压固化填压法将固体润滑填料填充到工件表面的圆形凹坑，压力为15Mpa。接下来烧结成型(第一步250℃、加热25min，第二步370～400℃、加热40min，在体积百分比为99.9％的N2保护、保温后随炉冷却)；

最后将加工完工件表面的多余复合材料去除，然后用无水乙醇清洗，即可实现对变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑处理。

Claims

1.风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法，其特征在于：在轴承外圈的内滚道和内圈的外滚道表面和滚珠表面，三个表面上进行激光微织构加工，得到圆形凹坑的形貌，利用模具热压固化填充法填入自润滑复合材料形成自润滑结构，减小轴承内滚珠与内外滚道之间的初始粗糙度，从而能有效提高风机轴承的使用寿命。

2.如权利要求1所述的风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法，其特征在于：所述圆形凹坑的排列是属于点阵排列，轴承外圈的内滚道和轴承内圈的外滚道表面相邻两行的圆形凹坑沿轴向方向按45°角度错开排列，滚珠表面圆形凹坑沿水平方向按45°角度错开排列。

3.如权利要求1所述的风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法，其特征在于：圆形凹坑直径35～200μm，深度6～60μm，轴承外圈的内滚道织构的面积占有率为15％～45％，滚珠上的织构面积占有率为15％～45％，轴承内圈的外滚道织构面积占有率为15％～45％。

4.如权利要求1所述的风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法，其特征在于，具体步骤为：

1)首先用激光发生器对轴承外圈的内滚道，轴承内圈的外滚道和滚珠表面进行织构加工，轴承外圈的内滚道，内圈的外滚道和滚珠表面用无水乙醇清洗，涂覆黑漆，再进行激光淬火加工，获得凹坑形貌，并使工件表面硬度达到62～65HRC，然后去除工件表面黑漆，清洗工件表面；

2)将自润滑复合材料的粉料均匀混合；

3)粉料烘干；

4)使用模具热压固化填压法将固体润滑材料填充到工件表面的圆形凹坑中，压力为15Mpa，烧结成型；

5.如权利要求4所述的风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法，其特征在于，步骤1)中，采用半导体泵浦YAG激光发生器，聚焦透镜焦距为45～90mm，重复频率7.0～9.0Khz，激光波长1064nm，电流强度13～20A，扫描速度为5～25mm/s，圆形凹坑的排列由数控程序控制，辅助气体采用体积百分比99.9％的N₂。

6.如权利要求4所述的风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法，其特征在于，步骤3)中，烘干温度120～140℃，时长1～2h。

7.如权利要求4所述的风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法，其特征在于，步骤4)中，烧结成型的步骤为：第一步250℃、加热25min，第二步370～400℃、加热40min，在体积百分比为99.9％的N₂保护、保温后随炉冷却。

8.如权利要求4所述的风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法，其特征在于，自润滑复合材料的配方，按质量百分比计算为：

聚酰亚胺(PI)：10％～70％；

聚四氟乙烯：0～50％；

二硫化钼(MoS₂)：10％～30％；

层状二硅酸钠(Na₂Si₂O₅)：10％～30％；

石墨粉：0％～10％；

添加剂：0～5％。

9.如权利要求8所述的风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法，其特征在于，聚四氟乙烯粒度≤3μm；石墨粉粒度≤5μm。

10.如权利要求8所述的风力发电机组内变桨/偏航轴承的激光微造型自润滑方法，其特征在于，添加剂为氮化硼或三聚氰胺氰尿酸络合物。