CN109826755A - 一种具有周向固定结构的风电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有周向固定结构的风电设备，包括塔架，塔架顶部安装在风力发电机组，风力发电机组包括有叶轮，叶轮与主轴动力相联，主轴则与发电机动力相联，其中在主轴的前后两端设置有轴承，轴承由内圈、滚子、保持架及外圈组成，内圈内侧设置有与主轴对应的周向固定结构使两者保持固定，避免出现跑圈的现象。通过轴承的周向固定避免轴承松动的情况，从而提高设备的耐用性、提高企业的经济效益。

Description

一种具有周向固定结构的风电设备

技术领域

本发明属于风电设备技术领域，涉及一种具有周向固定结构的风电设备。

背景技术

风电设备一直处于不盈利的状态，主要问题就在于其安装、维护成本过高，由于风电设备处于地势较高的地方安装，整体的使用环境也比较差，因此经常会由于设备低频扭转振动导致轴承出现松动等问题，轴承一般会采用过盈配合、红套固定或高压顶入，但是长期低频扭转振动下还是会松动，而风电设备上的轴承更换成本是非常高昂的，需要使用吊机去起吊，每次起吊都需要耗费大量的人力财力，因此几年下来风电设备产生的效益均投入到安装和维修成本中了。

另一份报告也说明了风电设备的现状。

来源：风能委员会 姚小芹

近年来国内外的风力发电机组滚动轴承失效的案例不断出现，2016年欧洲某知名风力发电机制造厂就因其多台直驱机组的主轴滚动轴承失效赔付业主6.2亿欧元。据笔者近两年来的统计，国内多家风力发电机组制造厂就有一千多台直驱机组的主轴滚动轴承失效；双馈机组也有几千台的各种滚动轴承或轮齿失效。 前不久调查到福建浦田某风电场的20台国外某知名品牌的风力机在2015到2016年就更换了6台增速齿轮箱，其余的在2017年进行了更换。不久前瓜州某60万千瓦风电场也更换了17台风电机组的增速齿轮箱。2017年上半年笔者去张家口几个风电场调研，路过河北丰宁，调查到丰宁某风电场的风力机上的增速齿轮箱均出了故障。以上问题在当年大规模引进风力机技术时就已引进来了，只是我们没有全部消化和识别。

回顾12年前《行星齿轮传动失效研讨》一文，介绍过德国某风电齿轮箱制造厂从2001年到2004年其供应全世界风电增速齿轮箱之中有4500多台出了故障，造成当时欧洲九个风力发电机组制造厂破产，也连累到在中国的几百台风力发电机组(后来是国内C齿轮箱制造厂对该批增速齿轮箱作了更换)。按当时欧洲某知名保险公司的统计，在那4500多台故障的风电齿轮箱中表现在轴承上的占30%(约1350台)、表现在轮齿上的占39%(约175台)、表现在风电齿轮箱轴、泵、联轴器、箱体、密封件等其它方面的占31%。自那以后世界各风电齿轮箱制造厂和轴承制造厂都从优化齿轮箱或轴承结构设计、制造工艺、制造精度、制造材料、表面处理、润滑方式、润滑材料、优化滚动轴承周向载荷、优化滚动轴承径向间隙、优化滚子接触角、优化滚子的波纹度、优化滚动轴承滚子修形、优化齿轮齿修形、优化行星传动结构、优化均载系数、安装工艺、试验验证等方面都做了大量的改进。

那些通常适用于恒速运行的船用齿轮箱或其他工业用齿轮箱行之有效的措施，用在风力机或风电齿轮箱上却只能治标、不能治本。都未能达到预想的效果，只要风力机运行到一定时段，风力机的主滚动轴承、风电齿轮箱的滚动轴承和轮齿照样出现故障，而故障频率和故障面是不断地加剧。这引发我们的深思!只有找到导致出现这些故障的真正原因才能根治或减少这些故障的出现。

其根源在于风力机所接受的能量——风，具有的随机性、波动性以及间歇性。

风力机传动轴系-主轴—滚动轴承-齿轮-发电机转子系统就是工作在风的随机性、风的波动性以及风的间歇性的工况频繁突变的典型代表。因此该系统在运行时，要频繁经历启动、停机、工况变化、转速变化和负荷变化等瞬态过程。

主传动链故障首要原因——低频扭转振动

从理论上认为造成风力机主传动链部件各种故障的第一个原因是：低频扭转振动。例如造成滚动轴承跑圈或轮齿损坏的重要原因之一就是风力机设计阶段没有意识到风力机主传动链存在低频扭转振动。

风力发电机组是以风为能源的动力机械，不单是有没有低频扭转振动的问题，而在于“低频扭转振动严重不严重”的问题。可惜，这一概念到今天为止所引进的国外技术资料都未曾提到，在风能界也还不习惯。

在国外某风力机制造公司于2011年也发现此问题，并和另一家公司以及国外某知名大学共同研究风力发电机组主传动轴系低频扭转振动。他们于2012年得出理论结论，2013—2014年以其样机作试验、验证，从2015年起该国外某知名风力机制造公司就在其新制的机型上都装用不同型号、低频、非线性扭转振动减振阻尼装置。这也证实了笔者的观点。

除了由于动力机械不均匀输出功率会造成扭转振动以外，不均匀吸收扭矩的工作机械，也会出现扭转振动。

风力机的低频扭转振动情况与风的时变性使风力机叶轮的不均匀吸收和输出功率的情况有关，在系统的振动特性不变时，当吸收和输出功率的波动越大，扭转振动的振幅也越大。

所有的工业机械，都发生过由于扭转振动而造成的事故。

如果系统存在低频扭转振动，风力机传动轴系统就会产生由低频扭转振动而引起的低频扭转振动应力，这应力是风力机装置本身所应承受的应力之外的低频扭转振动附加应力，这样就加重了风力机主传动链部件的负荷，当应力超过允许限度，就会使风力机轴系主传动链部件产生疲劳损坏。

当风力机的轴系产生低频扭转振动时，有以下几种现象：

1.轴系主轴发生扭转性的疲劳断裂;

2.轴系中的连接部件，如轴系的连接螺栓等等发生损坏，以致断裂;

3.轴系中各附件如油泵等的连接轴产生多发性的扭转疲劳断裂;

4.叶轮的轮毂和主轴的连接螺纹紧固件等发生磨损、磨松或断裂;

5.轴系中局部轴发生过热现象;

6.引起增速齿轮箱传动齿轮的脱开-冲击或齿轮传动部位发生点蚀、噪声以致齿牙折断;

7.引起各滚动轴承滚柱、滚珠与保持架脱开、冲击以致损坏;

8.使轴系中的各种过盈配合或红套部位发生严重松动。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种具有周向固定结构的风电设备，它通过轴承的周向固定避免轴承松动的情况，从而提高设备的耐用性、提高企业的经济效益。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有周向固定结构的风电设备，包括塔架，塔架顶部安装在风力发电机组，风力发电机组包括有叶轮，叶轮与主轴动力相联，主轴则与发电机动力相联，其中在主轴的前后两端设置有轴承，轴承由内圈、滚子、保持架及外圈组成，轴承外圈与轴承室配合，轴承内圈与主轴配合，轴承内圈与主轴或轴承外圈与轴承室之间最少设置有一处周向固定结构,避免出现跑圈的现象。

更进一步地，外圈设置有与轴承室对应的周向固定结构使两者保持联接避免转动，避免出现跑外圈的现象。

更进一步地，内圈与主轴之间设置有周向固定结构使两者保持联接避免转动，从而避免出现跑内圈的现象。

更进一步地，所述周向固定结构第一种实现方式是在轴承内圈与外圈至少其中一个周向设置有凸键或凹槽，在主轴与轴承室上对应设置有凹槽或凸键，利用凸键与凹槽配合从而使内圈与主轴保持相对紧固，外圈与轴承室保持相对紧固。

更进一步地，所述凸键与凹槽至少设置有一对；凸键与凹槽可以为相互匹配的任何形状。

更进一步地，所述周向固定结构的另一种方式是轴承内圈与对应的主轴及/或轴承外圈与轴承室对应处分别开设有凹位，在两个凹位之间放置有固定物，利用固定物卡住两个凹位从而实现周向固定。

更进一步地，所述周向固定结构的第三种实现方式是在内圈与主轴、外圈与轴承室的对应处开孔并设有穿接在两个开孔内的销，利用销将对应的两个开孔联接避免相对转动。

更进一步地，根据风电设备的差异，可以选择在主轴与发电机之间设置有齿轮箱。

更进一步地，所述齿轮箱内设置有传动轴，在各个传动轴上设置有轴承，轴承外圈与轴承室、轴承内圈与传动轴至少一组对应设置有周向固定结构，从而使轴承外圈与轴承室、轴承内圈与传动轴至少一组保持联接，避免相对转动。

本发明的有益效果是：通过轴承内圈或外圈分别通过周向固定结构实现固定，避免轴承出现跑圈、松动等问题，提高轴承的使用寿命，最终达到延长风电设备使用寿命，具有使用方便、提高经济效益、增加风电设备耐用性等特点。

附图说明

图1是风电设备结构示意图；

图2是主轴与轴承内圈之间具有内圈周向固定结构示意图；

图3是轴承外圈与轴承室之间具有外圈周向固定结构示意图；

图4是主轴与轴承内圈、轴承外圈与轴承室之间具有内外圈周向固定结构示意图；

图5是齿轮箱结构示意图；

图6是图5中B的放大图具体为传动轴与轴承内圈具有周向固定结构示意图；

图7是图6的另一种方式轴承外圈与轴承室之间具有周向固定结构示意图；

图8是图6的另一种方式传动轴与轴承内圈、轴承外圈与轴承室之间均具有周向固定结构示意图；

图9是图5中A的放大图。

图中：1-塔架，2-叶轮，3-主轴，4-发电机，5-轴承，6-内圈，7-外圈，8-周向固定结构，9-齿轮箱，10-传动轴，11-轴承室。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中央”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，除非另有说明。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见示意图，一种具有周向固定结构8的风电设备，包括塔架1，塔架1顶部安装在风力发电机4组，风力发电机4组包括有叶轮2，叶轮2与主轴3动力相联，主轴3则与发电机4动力相联，其中在主轴3的前后两端设置有轴承5，轴承5由内圈6、滚子及外圈7组成，内圈6内侧设置有与主轴3对应的周向固定结构8使两者保持固定，避免出现跑圈的现象。

除了内圈6与主轴3周向固定以外，还可以是外圈7与外部轴承室11之间对应设置有周向固定结构8使外圈7与外部轴承室11之间保持固定，或内外圈7分别周向固定，从而避免出现跑圈的现象。

所述周向固定结构8第一种实现方式是在轴承5内圈6与外圈7至少其中一个周向设置有凸键或凹槽，在主轴3与轴承室11上对应设置有凹槽或凸键，利用凸键与凹槽配合从而使内圈6与主轴3保持相对紧固，外圈7与轴承室11保持相对紧固。

所述凸键与凹槽至少设置有一对；凸键与凹槽可以为相互匹配的任何形状。

所述周向固定结构8的另一种方式是轴承5内圈6与对应的主轴3及/或轴承5外圈7与轴承室11对应处分别开设有凹位，在两个凹位之间放置有固定物，利用固定物卡住两个凹位从而实现周向固定。

所述周向固定结构8的第三种实现方式是在内圈6与主轴3、外圈7与轴承室11的对应处开孔并设有穿接在两个开孔内的销，利用销将对应的两个开孔联接避免相对转动。

根据风电设备的差异，可以选择在主轴3与发电机4之间设置有齿轮箱9。

所述齿轮箱9内设置有传动轴10，在各个传动轴10上设置有轴承5，轴承5外设置有轴承室11，轴承5与传动轴10之间、轴承5与轴承室11之间分别设置有周向固定结构8，从而使轴承5内圈6与传动轴10避免相对转动，外圈7与轴承室11紧固避免相对转动。

实施例1

参见图2-4，一种（直驱式）无齿轮箱风电设备，包括主轴3，主轴3上设置有轴承5，轴承5的外圈7与轴承室周向固定，轴承5的内圈6与主轴3周向固定，其中外圈7与内圈6至少一个实现周向固定，从而避免轴承5因为振动导致跑圈现象的发生。

实施例2

参见图5-图8，一种带齿轮箱9的风电设备，包括齿轮箱9，齿轮箱9内的一个传动轴10与轴承5，轴承5与轴承5外的轴承室11之间至少一个设置有周向固定结构8。

实施例3

参见图5-图8，一种带齿轮箱9的风电设备，包括齿轮箱9，齿轮箱9内的二个传动轴10与轴承5，轴承5与轴承5外的轴承室11之间至少一个设置有周向固定结构8。

实施例4

参见图5-图8，一种带齿轮箱9的风电设备，包括齿轮箱9，齿轮箱9内的三个传动轴10与轴承5，轴承5与轴承5外的轴承室11之间至少一个设置有周向固定结构8。

实施例5

参见图5-图8，一种带齿轮箱9的风电设备，包括齿轮箱9，齿轮箱9内的四个传动轴10与轴承5，轴承5与轴承5外的轴承室11之间至少一个设置有周向固定结构8。

实施例6

参见示意图，一种带齿轮箱9的风电设备，包括齿轮箱9，齿轮箱9内的传动轴10上设置有周向固定结构8，周向固定结构8设置在传动轴10与轴承5内圈6之间，使传动轴10与轴承5内圈6紧密固定。

实施例7

参见示意图，一种带齿轮箱9的风电设备，包括齿轮箱9，齿轮箱9内设置有传动轴10，传动轴10上设置有轴承5，轴承5外圈7与轴承5外的轴承室11之间设置有周向固定结构8，使轴承5与轴承室11紧密固定。

实施例8

参见图2-图8，一种带齿轮箱9的风电设备，包括主轴3和齿轮箱9，在主轴3和齿轮箱9上设置有周向固定结构8，该周向固定结构8为对应设置的凸键或凹槽，凸键或凹槽分别设置在轴与轴承5，轴承5与轴承室11上。

实施例9

参见图9，一种带齿轮箱9的风电设备，包括主轴3和齿轮箱9，在主轴3和齿轮箱9上设置有周向固定结构8，该周向固定结构8为销与开孔，在轴与轴承5，轴承5与轴承室11任何对应位置处设置有开孔，再利用销插入使对应的轴与轴承5，轴承5与轴承室11紧密固定。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动或变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (9)

1.一种具有周向固定结构的风电设备，其特征在于：包括塔架，塔架顶部安装在风力发电机组，风力发电机组包括有叶轮，叶轮与主轴动力相联，主轴则与发电机动力相联，其中在主轴的前后两端设置有轴承，轴承由内圈、滚子、保持架及外圈组成，轴承外圈与轴承室配合，轴承内圈与主轴配合，轴承内圈与主轴或轴承外圈与轴承室之间最少设置有一处周向固定结构,避免出现跑圈的现象。

2.如权利要求1所述一种具有周向固定结构的风电设备，其特征在于：外圈设置有与轴承室对应的周向固定结构使两者保持联接避免转动，避免出现跑外圈的现象。

3.如权利要求1所述一种具有周向固定结构的风电设备，其特征在于：内圈与主轴之间设置有周向固定结构使两者保持联接避免转动，从而避免出现跑内圈的现象。

4.如权利要求2或3所述一种具有周向固定结构的风电设备，其特征在于：所述周向固定结构第一种实现方式是在轴承内圈与外圈至少其中一个周向设置有凸键或凹槽，在主轴与轴承室上对应设置有凹槽或凸键，利用凸键与凹槽配合从而使内圈与主轴保持相对紧固，外圈与轴承室保持相对紧固。

5.如权利要求4所述一种具有周向固定结构的风电设备，其特征在于：所述凸键与凹槽至少设置有一对；凸键与凹槽可以为相互匹配的任何形状。

6.如权利要求2或3所述一种具有周向固定结构的风电设备，其特征在于：所述周向固定结构的另一种方式是轴承内圈与对应的主轴及/或轴承外圈与轴承室对应处分别开设有凹位，在两个凹位之间放置有固定物，利用固定物卡住两个凹位从而实现周向固定。

7.如权利要求2或3所述一种具有周向固定结构的风电设备，其特征在于：所述周向固定结构的第三种实现方式是在内圈与主轴、外圈与轴承室的对应处开孔并设有穿接在两个开孔内的销，利用销将对应的两个开孔联接避免相对转动。

8.如权利要求1所述一种具有周向固定结构的风电设备，其特征在于：根据风电设备的差异，可以选择在主轴与发电机之间设置有齿轮箱。

9.如权利要求7所述一种具有周向固定结构的风电设备，其特征在于：所述齿轮箱内设置有传动轴，在各个传动轴上设置有轴承，轴承外圈与轴承室、轴承内圈与传动轴至少一组对应设置有周向固定结构，从而使轴承外圈与轴承室、轴承内圈与传动轴至少一组保持联接，避免相对转动。