CN116608205A - 一种大型风力发电机组主轴滑动轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，属于风力发电技术领域，包括风电主轴、球面可倾推力瓦、推力瓦端盖、弧柱面可倾瓦块、可倾瓦轴承外圈座、拆卸套、定位油管，弧柱面可倾瓦块承受径向力，弧柱面可倾瓦块和可倾瓦轴承外圈座通过定位管定位，主进油管和可倾瓦轴承外圈座连接。拆卸弧柱面可倾瓦块时用螺栓把不予拆卸的弧柱面可倾瓦块拉紧，用螺栓与弧柱面可倾瓦块连接拉出一块瓦块，换上新的瓦块。本发明对弧柱面可倾瓦块布置合理，最大载荷通过中心点；弧柱面可倾瓦块通过碟形弹簧或圆柱弹簧预紧提高了轴承的承载能力；能方便快速地确定磨损的瓦块，并能方便地进行拆卸更换；弧柱面可倾瓦块耐磨损、使用寿命长、制造简单方便。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种大型风力发电机组主轴滑动轴承。
背景技术
风电机组常年在野外工作，工作条件恶劣、温度和湿度变化较大、受载情况复杂，因而要求风电轴承具有良好的耐冲击性、密封和润滑性、长寿命和高可靠性。风电轴承是风电机组的重要支承部件，对整个机组的寿命、性能和可靠性起着非常重要的作用。风电主轴轴承较大，占有不小的成本。
风电机组中主轴承受的载荷来源主要有风机叶片及轮毂的重力载荷、主轴的自重载荷、主轴轴承的支撑力和推止力、风通过叶片以及轮毂作用在主轴上的惯性载荷及气动载荷等，因此主轴需要承受径向力和风力产生的轴向力。除此之外，由于风机工作环境的特殊性，随着风速的骤变，还会产生轴向冲击。风机主轴轴承内圈通过过盈配合与风机主轴安装在一起，轴承外圈固定在机架的专用支座上，所承受的轴向力由主轴的轴肩施加在轴承内圈的端面上。
在运转轴承的滚子中一般只有一部分同时承受载荷，而这部分滚子所在的区域我们称之为轴承的承载区。轴承承受的载荷大小，运行游隙的大小都会对承载区产生影响。如果承载区范围太小，滚子在实际的运转中则容易发生打滑现象。
风电齿轮箱输入轴的转速一般在10-30转/分钟,由于转速比较低，导致输入轴轴承的油膜形成往往比较难，磨损严重。
随着风电机组单机容量和主轴直径越来越大以及权衡考虑机组性价比，主轴轴承价格非常高。如果用圆柱滑动轴承替代滚动轴承，可以大为降低成本，但是圆柱滑动轴承磨损后替换困难。(可倾瓦径向滑动轴承有最小的轴心轨迹幅值且涡动中心偏位角为零时，表现出最优的稳定性，这样的风电主轴的涡动最小。)
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大型风力发电机组主轴滑动轴承。
本发明的技术方案如下：一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，包括风电主轴、可倾瓦径向滑动轴承、球面可倾推力瓦、推力瓦端盖、弧柱面可倾瓦块、可倾瓦轴承外圈座、拆卸套、定位油管，所述滑动轴承套在风电主轴上，所述可倾瓦径向滑动轴承的柱面设有若干块弧柱面可倾瓦块，弧柱面可倾瓦块的外侧设有可倾瓦轴承外圈座，所述可倾瓦径向滑动轴承的端面设有球面可倾推力瓦，球面可倾推力瓦的外侧设有推力瓦端盖，球面可倾推力瓦的整体背面为球面，可随着风电主轴摆动，承受轴向推力。
弧柱面可倾瓦块承受径向力，弧柱面可倾瓦块背面为圆弧形，可随着主轴轴心线摆动，弧柱面可倾瓦块中心由定位管定位，定位管是空心的，管内通润滑油，用O形密封圈密封，弧柱面可倾瓦块和可倾瓦轴承外圈座通过定位油管定位，定位管上的主进油管和可倾瓦轴承外圈座连接，润滑油通过主进油管和可倾瓦轴承外圈座再进入弧柱面可倾瓦块。
所述可倾瓦轴承外圈座和拆卸套联结，所述弧柱面可倾瓦块的摩擦面上有两个对称的螺纹孔，弧柱面可倾瓦块的两侧和两端均布有螺纹孔，推力瓦端盖上有孔，拆卸弧柱面可倾瓦块时用螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座与不予拆卸的弧柱面可倾瓦块的摩擦面上的螺纹孔连接把不予拆卸的弧柱面可倾瓦块拉紧，作为辅助，用螺栓穿过推力瓦端盖连接可倾瓦块的端面上的螺纹孔，拉出拆卸套后，再用螺栓与弧柱面可倾瓦块端面的螺纹孔连接拉拆出一块弧柱面可倾瓦块，然后把新的弧柱面可倾瓦块换上，利用端面的螺纹孔拉动，再用拉紧螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座与换上的弧柱面可倾瓦块连接定位，最后装上拆卸套和端盖。
所述可倾瓦径向滑动轴承的弧柱面可倾瓦块有两种预紧结构，一种用碟形弹簧作为预载荷，另一种用圆柱弹簧作为预载荷。
所述“碟形弹簧方案”,所述弧柱面可倾瓦块端面上有两个对称的螺纹孔，所述弧柱面可倾瓦块的摩擦面上有两个对称的螺纹孔，所述推力瓦端盖上有孔，所述弧面可倾瓦块上设有圆柱形凹槽，凹槽内设有弹簧托架和碟形弹簧，所述弹簧托架设置在凹槽的底部，弹簧托架内设有碟形弹簧，碟形弹簧的上端设有预载顶盖，预载顶盖固定在弧面可倾瓦块上，预载顶盖的一侧与可倾瓦轴承外圈座相接触，定位油管从中心穿过预载顶盖和弹簧托架，安装弧柱面可倾瓦块时，用两根螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座拉紧弧柱面可倾瓦块，瓦块摩擦面平行于主轴中心线，安装完后去掉螺栓，在螺孔上端安装螺塞和垫圈。
所述“圆柱弹簧方案”,所述弧柱面可倾瓦块上有两个对称的圆柱孔，圆柱孔底部有螺纹孔，所述可倾瓦轴承外圈座有两个对称的圆柱孔，圆柱孔上端有螺纹，上下圆柱孔均同心。所述圆柱孔下部安装有弹簧，上部安装有弹簧顶块，弹簧顶块的中心设有通孔，安装弧柱面可倾瓦块时，用两根螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座拉紧弧柱面可倾瓦块，螺栓穿过弹簧顶块中心的通孔和圆柱弹簧，螺栓的下部与弧柱面可倾瓦块螺纹连接，瓦块摩擦面平行于主轴中心线，安装完后去掉螺栓，在弹簧顶块中心的通孔安装螺塞和垫圈。
所述弧柱面可倾瓦块更换时，需事先除去弹簧顶块和弹簧，其余方案和“碟形弹簧方案”相同。
所述推力瓦端盖的一侧设有跳动测量传感器，所述跳动测量传感器的测量端与风电主轴的柱面相接触。通过跳动测量传感器获得弧柱面可倾瓦块的最大磨损量，通过分析可倾瓦径向滑动轴承的载荷谱可以找到磨损最大的瓦块，确定更换的瓦块。
所述弧柱面可倾瓦块的瓦块数为6到12块，所述球面可倾推力瓦的瓦块数为6到12块。
以四点支撑为例：设A点为风力机涡轮，有Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz6个自由度力和扭矩，B点为风电主轴前轴承，径向有Fbx,Fby,Fbz3个力，Fbx和Fby为动静压可倾瓦径向滑动轴承瓦块产生的力，合力为Fbxy，Fbz为动静压球面可倾推力瓦组成，D点为风电主轴后轴承，径向有Fdx,Fdy2个力,Fdx,Fdy为动静压可倾瓦径向滑动轴承瓦块产生的力,合力为Fdxy，C点为风电主轴重心,为重力G，FHZ为Z向合力，FHX为X向合力，FHY为Y向合力，MHX为X向扭矩，MHY为Y向扭矩；
Fbxy为前轴承座载荷，Fdxy为后轴承座载荷。
所述弧柱面可倾瓦块的瓦块数确定方程为：
其中，n为瓦块数；Fr为轴承径向额定载荷值，Fxy力的方向在XY平面(轴心线的垂直平面)上都有可能，h为安全系数。F1···Fn为某轴瓦的压力，Fm为n个单个径向推力瓦的推力的最大值，p为单个轴瓦工作比压，ph为单个轴瓦许用比压；
在同一工况下，n个瓦块的可倾瓦径向滑动轴承最小油膜厚度为hmn,hmn-1为同一直径和宽度的n-1个瓦块的可倾瓦径向滑动轴承最小油膜厚度，hmn+1为同一直径和宽度的n+1个瓦块的可倾瓦径向滑动轴承最小油膜厚度，hmin为可倾瓦极限油膜厚度；c为瓦弧半径与轴颈半径之差，e为轴承坐标系中的轴的偏心距，θ为轴承坐标系中的偏位角，为从Y轴负方向开始计量的角度(rad)，/>为第i块轴瓦的支点位置角(从Y轴正方向顺着转动方向到瓦支点的角度)，R为轴瓦瓦弧半径，αi为第i块轴瓦的摆角，F*为承载能力特性值，和瓦块的支点偏置比和宽径比有关。
所述可倾瓦瓦块数为8时；
Fbxy为前轴承座的可倾瓦径向滑动轴承径向力向量：
Fba,Fbb,Fbc,Fbd,Fbe,Fbf,Fbg,Fbh为前轴承座的可倾瓦径向滑动轴承8个瓦块的单个径向推力瓦的推力向量；
Fbxy＝Fba+Fbb+Fbc+Fbd+Fbe+Fbf+Fbg+Fbh；
Fdxy为后轴承座的可倾瓦径向滑动轴承径向力向量：
Fda,Fdd,Fdc,Fdd,Fde,Fdf,Fdg,Fdh为后轴承座的可倾瓦径向滑动轴承8个瓦块的单个径向推力瓦的推力向量；
Fdxy＝Fda+Fdd+Fdc+Fdd+Fde+Fdf+Fdg+Fdh；
Fz1和Fz1为风力发电机涡轮轴向力向量：
Fza,Fzb,Fzc,Fzd,Fze,Fzf,Fzg,Fzh,Fzi,Fzj,Fzk,Fzl,Fzm,Fzn,Fzo,Fzp为前轴承座的16个瓦块的单个轴向推力瓦的推力向量；
Fz1＝Fza+Fzb+Fzc+Fzd+Fze+Fzf+Fzg+Fzh；
Fz2＝Fzi+Fzj+Fzk+Fzl+Fzm+Fzn+Fzo+Fzp。
所述风电主轴前轴承座的径向受力和轴向受力动力学耦合方程为：
Mr和Mp表示风电主轴系统和风电主传动系统的质量矩阵；Fr和FP表示风电主轴轴承径向力向量和风电主传动系统的轴向力向量；Cr和CP表示风电主轴系统和风电主传动系统的阻尼矩阵；Kr和Kp表示风电主轴系统和风电主传动系统的刚度矩阵；Xr和Xp表示风电主轴轴承的径向和轴向的位移向量；
轴承刚度径向Kr(油膜刚度和轴承刚度)和轴承径向阻尼Cr，Ks轴承体刚度，Koil油膜刚度；Czc为轴承体阻尼，Coil为油膜阻尼；
Koil＝Koilj+Koild；Koilj为油膜静压刚度，Koild为油膜动压刚度；
Cr＝Czc+Coil；Coil＝Coilj+Coild；Coilj为油膜静压阻尼，Coild为油膜动压阻尼。
所述弧柱面可倾瓦块包括钢背和铜合金层，钢背覆铜合金加耐磨低摩擦系数渗透层，铜合金有合适的硬度和延展性及导热性，铜合金层表面的渗透层作为低速高压高可靠性滑动轴承摩擦面，采用负压铸渗工艺，材料为硬质陶瓷。
所述弧柱面可倾瓦块的制造方法为：用数控机床加工出圆环，用负压铸渗工艺在内孔铸造出覆铜合金摩擦层，然后将圆环切割出可倾瓦块。
滑动轴承通过进油管连接液压系统，带有两级背压阀，高压挡和低压挡，具有两种工作模式，工作模式一：风电主轴低转速启动时，液压系统开启高压挡，抬高风电主轴，提高油垫厚度；高转速时轴承产生动压，液压系统产生的油压作用不大，所以高转速时关闭液压系统；无风时、低风速、停机时开启低压挡，以减小轴承的微动磨损，微动磨损对轴承影响不小；工作模式二：液压系统中有两级压力阀，高压挡和低压挡。主轴低转速启动时用浮动静压力(低压挡压力)，主轴工作时用工作静压力(高压挡压力)，低压挡压力＜高压挡压力，高压挡压力≥轴瓦工作动压力，每块瓦进油管前有单向阀止回阀。
本发明对弧柱面可倾瓦径向滑动轴承布置合理，最大载荷通过中心点；弧柱面可倾瓦块通过碟形弹簧或圆柱弹簧预紧提高了轴承的承载能力；瓦块与外圈座之间有较大的接触面积用以增加轴瓦摆振阻尼，增加瓦块的稳定性；弧柱面可倾瓦块上的油膜能减小低速共振；能方便快速地确定磨损的瓦块，并能方便地进行拆卸更换；弧柱面可倾瓦径向滑动轴承耐磨损、使用寿命长、制造简单方便。
附图说明
图1为本发明风电主轴前部轴承用碟形弹簧方案的结构示意图；
图2为本发明风电主轴前部轴承用圆柱弹簧方案的结构示意图；
图3为本发明风电主轴后部轴承用碟形弹簧方案的结构示意图；
图4为本发明风电主轴前部轴承的结构示意图；
图5为本发明用碟形弹簧预载方案的局部放大图；
图6为本发明用碟形弹簧安装方案的局部放大图；
图7为本发明用圆柱弹簧预载方案的局部放大图；
图8为本发明用圆柱弹簧安装方案的局部放大图；
图9为弧柱面可倾瓦块的结构示意图；
图10为弧柱面可倾瓦块的结构示意图；
图11为8块球面可倾推力瓦的示意图；
图12为10块球面可倾推力瓦的示意图；
图13为球面可倾推力瓦的剖视结构；
图14为四点支撑结构的风电主轴系统的受力分析示意图；
图15为四点支撑结构的风电主轴系统前轴承座的受力分析示意图；
图16为四点支撑结构的风电主轴系统前轴承座的受力分析示意图；
图17为四点支撑结构的风电主轴系统弧柱面可倾瓦的受力分析示意图；
图18为弧柱面可倾瓦块渗碳碎火的示意图；
图19为弧柱面可倾瓦块的切割制造示意图；
图中：1-风电主轴，2-弧柱面可倾瓦块，3-拆卸套，4-可倾瓦轴承外圈座，5-定位油管，6-球面可倾推力瓦，7-推力瓦端盖，8-O形密封圈，9-跳动测量传感器，10-可倾瓦径向滑动轴承，11-弹簧托架，12-碟形弹簧，13-预载顶盖，14-螺塞，15-弹簧顶块，16-圆柱弹簧，17-钢背，18-铜合金层，19-负压渗层，20-拉紧螺栓，21-主进油管，22-进油管，23-放油管，24-密封，25-螺栓，26-密封圈，27-切割线，28-风电主轴前轴承座，29-风电主轴后轴承座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-8所示及图11-13所示，一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，包括风电主轴1、可倾瓦径向滑动轴承10、球面可倾推力瓦6、推力瓦端盖7、弧柱面可倾瓦块2、可倾瓦轴承外圈座4、拆卸套3、定位油管5，所述可倾瓦径向滑动轴承10套在风电主轴1上，所述可倾瓦径向滑动轴承10的柱面设有若干块弧柱面可倾瓦块2，弧柱面可倾瓦块2的瓦块数为6到12块，弧柱面可倾瓦块2的外侧设有可倾瓦轴承外圈座4和拆卸套3，所述可倾瓦径向滑动轴承10的两端面设有球面可倾推力瓦6，球面可倾推力瓦6的瓦块数为6到12块，球面可倾推力瓦6的外侧设有推力瓦端盖7，球面可倾推力瓦6的整体背面为球面，可随着风电主轴1摆动，承受轴向推力。
弧柱面可倾瓦块2承受径向力，弧柱面可倾瓦块2背面为圆弧形，可随着风电主轴1轴心线摆动，弧柱面可倾瓦块2中心由定位油管5定位，定位油管5是空心的，采用高强度合金钢，管内通润滑油，用O形密封圈8密封，弧柱面可倾瓦块2和可倾瓦轴承外圈座4通过定位油管5定位，定位油管5上的主进油管21和可倾瓦轴承外圈座4连接，润滑油通过主进油管21和可倾瓦轴承外圈座4再进入弧柱面可倾瓦块2。
所述可倾瓦径向滑动轴承的弧柱面可倾瓦块2有两种预紧结构，一种用碟形弹簧作为预载荷，另一种用圆柱弹簧作为预载荷。
所述可倾瓦轴承外圈座4和拆卸套3联结，所述弧柱面可倾瓦块2的摩擦面上有两个对称的螺纹孔，弧柱面可倾瓦块2的两侧和两端均布有螺纹孔，推力瓦端盖7上有孔，拆卸弧柱面可倾瓦块2时，用螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座4与不予拆卸的弧柱面可倾瓦块2的摩擦面上的螺纹孔连接把不予拆卸的弧柱面可倾瓦块2拉紧，作为辅助，用螺栓穿过推力瓦端盖7连接可倾瓦块2的端面上的螺纹孔，拉出拆卸套3后，再用螺栓与弧柱面可倾瓦块2端面的螺纹孔连接拉拆出一块弧柱面可倾瓦块2，然后把新的弧柱面可倾瓦块2换上，利用端面的螺纹孔拉动，再用拉紧螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座4与换上的弧柱面可倾瓦块2连接定位，最后装上拆卸套和端盖。
对于所述“圆柱弹簧预载结构”，更换弧柱面可倾瓦块2时，需先取出圆柱弹簧16和弹簧顶块15。
如图5、6所示，所述弧柱面可倾瓦块2上有两个对称的螺纹孔，所述弧面可倾瓦块2上设有凹槽，凹槽内设有弹簧托架11和碟形弹簧12，所述弹簧托架11设置在凹槽的底部，弹簧托架11内设有碟形弹簧12，碟形弹簧12的上端设有预载顶盖13，预载顶盖13固定在弧面可倾瓦块2上，预载顶盖13的一侧与可倾瓦轴承外圈座4相接触，定位油管5从中心穿过预载顶盖13和弹簧托架11。安装弧柱面可倾瓦块2时，用两根螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座4拉紧弧柱面可倾瓦块2，瓦块摩擦面平行于风电主轴1中心线，安装完后去掉螺栓，在螺孔上端安装螺塞14和垫圈。
如图7、8所示，所述弧柱面可倾瓦块2上有两个对称的圆柱孔，圆柱孔底部有螺纹孔，所述可倾瓦轴承外圈座有两个对称的圆柱孔，圆柱孔上端有螺纹，上下圆柱孔均同心。弹簧顶块15的下端与弧柱面可倾瓦块2上的螺纹孔之间设有圆柱弹簧16，弹簧顶块15的中心设有通孔。安装弧柱面可倾瓦块2时，用两根螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座4拉紧弧柱面可倾瓦块2，螺栓穿过弹簧顶块15中心的通孔和圆柱弹簧16，螺栓的下部与弧柱面可倾瓦块2螺纹连接，瓦块摩擦面平行于风电主轴1中心线，安装完后去掉螺栓，在弹簧顶块15中心的通孔安装螺塞14和垫圈。
弧柱面可倾瓦块2的设计基本参数：
轴颈转速：N＝10～30r/min(风力发电主轴)；(当用于船舶艉轴推力轴承时，一般艉轴转速N＜150r/min，液压系统用二级压力阀；当N≥150r/min，液压系统用一级压力阀，摩擦面材料用巴氏合金)
轴瓦数：n＝6～12；
轴瓦设计静压：p0；单位：N/m2；
轴瓦比压：p；单位：N/m2；
轴承载荷：Fxy；单位：N；
载荷谱:Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz；单位：N，Nm；各个方向都有，同一方向有恒定值(额定)，但是有一个最大值；
宽径比：L/d＝0.6～1.2；
轴瓦宽度：L，单位：m；
轴瓦直径：d，单位：m；
轴瓦厚度：tp，单位：m；
两级压力阀：一级压力和二级压力；
预载荷：Fyz，单位：N；采取碟形弹簧+静油压产生的压力；或圆柱弹簧的弹力；预负荷系数：m＝0.2～0.6；
间隙比：ψ≈0.001；
支点偏置比：0.5；
承载方式：弧柱面线接触式；载荷方向通过瓦块支承点；
弹性支点：刚性；
润滑油动力粘度：η,单位：Pa·s；
最小油膜厚度：hmn，单位：m；
极限油膜厚度：hmin，单位：m；
支撑刚度：K；(支承点下面掏空；油膜主刚度提高，抑制低频振动，稳定性提高。)阻尼特性：C；(支承点下面掏空；油膜主阻尼明显提高，抑制振动，稳定性提高。)轴承材料：合金钢(42CrMo或者20CrMnTi等)渗碳+铜合金+表面渗、涂上特殊材料(含有陶瓷硬质点，低摩擦系数和高浸润性的软质材料)。铜合金有合适的硬度和延展性及导热性，合金钢渗碳是为了防止支承点磨损。
如图14-17所示，以四点支撑为例：
设A点为风力机涡轮，有Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz6个自由度力和扭矩，B点为风电主轴前轴承，径向有Fbx,Fby,Fbz3个力，Fbx和Fby为动静压可倾瓦径向滑动轴承瓦块产生的力，合力为Fbxy，Fbz为动静压球面可倾推力瓦组成，D点为风电主轴后轴承，径向有Fdx,Fdy2个力,Fdx,Fdy为动静压可倾瓦径向滑动轴承瓦块产生的力,合力为Fdxy，C点为风电主轴重心,为重力G，FHZ为Z向合力，FHX为X向合力，FHY为Y向合力，MHX为X向扭矩，MHY为Y向扭矩。
Fbxy为前轴承座载荷，Fdxy为后轴承座载荷。
确定弧柱面可倾瓦块的瓦块数的方程式为：
n为瓦块数；Fr为轴承径向额定载荷值，Fxy力的方向在XY平面(轴心线的垂直平面)上都有可能，h为安全系数。F1···Fn为某轴瓦的压力，Fm为n个单个径向推力瓦的推力的最大值。p为单个轴瓦工作比压，ph为单个轴瓦许用比压。
假定在同一工况下，n个瓦块的可倾瓦径向滑动轴承最小油膜厚度为hmn,hmn-1为同一直径和宽度的n-1个瓦块的可倾瓦径向滑动轴承最小油膜厚度，hmn+1为同一直径和宽度的n+1个瓦块的可倾瓦径向滑动轴承最小油膜厚度，hmin为可倾瓦极限油膜厚度；c为瓦弧半径与轴颈半径之差，e为轴承坐标系中的轴的偏心距，θ为轴承坐标系中的偏位角，为从Y轴负方向开始计量的角度(rad)，/>为第i块轴瓦的支点位置角(从Y轴正方向顺着转动方向到瓦支点的角度)，R为轴瓦瓦弧半径，αi为第i块轴瓦的摆角，F*为承载能力特性值，和瓦块的支点偏置比和宽径比有关。
设定可倾瓦瓦块数是8；
Fbxy为前轴承座的可倾瓦径向滑动轴承径向力向量：
Fba,Fbb,Fbc,Fbd,Fbe,Fbf,Fbg,Fbh为前轴承座的可倾瓦径向滑动轴承8个瓦块的单个径向推力瓦的推力向量；
Fbxy＝Fba+Fbb+Fbc+Fbd+Fbe+Fbf+Fbg+Fbh；
Fdxy为后轴承座的可倾瓦径向滑动轴承径向力向量：
Fda,Fdd,Fdc,Fdd,Fde,Fdf,Fdg,Fdh为后轴承座的可倾瓦径向滑动轴承8个瓦块的单个径向推力瓦的推力向量；
Fdxy＝Fda+Fdd+Fdc+Fdd+Fde+Fdf+Fdg+Fdh；
Fz1和Fz1为风力发电机涡轮轴向力向量：
Fza,Fzb,Fzc,Fzd,Fze,Fzf,Fzg,Fzh,Fzi,Fzj,Fzk,Fzl,Fzm,Fzn,Fzo,Fzp为前轴承座的16个瓦块的单个轴向推力瓦的推力向量；
Fz1＝Fza+Fzb+Fzc+Fzd+Fze+Fzf+Fzg+Fzh；
Fz2＝Fzi+Fzj+Fzk+Fzl+Fzm+Fzn+Fzo+Fzp；
风电主轴系统有侧向振动(即径向振动)、纵向振动和扭振，其中侧向振动和纵向振动对滑动轴承有影响。
风电主轴前轴承座径向受力和轴向受力动力学耦合方程为：
Mr和Mp—表示风电主轴系统和风电主传动系统的质量矩阵；Fr和FP—表示风电主轴轴承径向力向量和风电主传动系统的轴向力向量；Cr和CP—表示风电主轴系统和风电主传动系统的阻尼矩阵；Kr和Kp—表示风电主轴系统和风电主传动系统的刚度矩阵；Xr和Xp—表示风电主轴轴承的径向和轴向的位移向量。
轴承刚度径向Kr(油膜刚度和轴承刚度)和轴承径向阻尼Cr，Ks轴承体刚度，Koil油膜刚度；Czc为轴承体阻尼，Coil为油膜阻尼；
Koil＝Koilj+Koild；Koilj为油膜静压刚度，Koild为油膜动压刚度；Cr＝Czc+Coil；Coil＝Coilj+Coild；Coilj为油膜静压阻尼，Coild为油膜动压阻尼。定位油管5上开有小泄漏孔，润滑接触面产生油膜和工作时由于油膜挤压产生阻尼，减小低频振动。
轴承刚度(油膜刚度和轴承本体刚度)和轴承阻尼(油膜阻尼和轴承本体阻尼)的效因，以避开动静压可倾瓦径向和轴向滑动轴承的低速共振。
推力瓦端盖7的一侧设有跳动测量传感器9，跳动测量传感器9的测量端与风电主轴1的柱面相接触，测量跳动值。
根据检测跳动值更换磨损瓦块测量方法：由于风力的变化多端，风电主轴的轴心位置是变化的，可倾瓦径向滑动轴承每块瓦块都可能处于工作状态，每块瓦的磨损也是不均匀的，总有一块是磨损最大的，通过跳动测量传感器9获得最大磨损量，通过分析可倾瓦径向滑动轴承的载荷谱可以找到磨损最大的瓦块，通过跳动测量传感器9获得最大磨损量，并决定更换的瓦块。
如图9、10、18、19所示，本发明滑动轴承为低速滑动轴承，瓦块结构为钢背17覆铜合金加耐磨低摩擦系数渗透层，铜合金有合适的硬度和延展性及导热性，表面渗透层适合作为低速高压高可靠性滑动轴承摩擦面，用负压铸渗工艺，材料为硬质陶瓷SiC、Ti3SiC2、TiC、B4C、A1203、Si02、BN、Si3N4等+Gr/Cu【硬质陶瓷硬质点+低摩擦系数和高浸润性的软质材料(例如石墨)+铜合金】表面复合材料。弧柱面可倾瓦块2的制造方法为：用数控机床加工出如图制造圆环，用负压铸渗工艺在内孔铸造出覆铜合金摩擦层，然后切割出可倾瓦块，然后再按图加工出最后零件。
滑动轴承通过进油管连接液压系统，液压系统带有两级背压阀，高压挡和低压挡。具有两种工作模式，工作模式一：风电主轴低转速启动时，液压系统开启高压挡，抬高风电主轴，提高油垫厚度；高转速时轴承产生动压，液压系统产生的油压作用不大，所以高转速时关闭液压系统。无风时、低风速、停机时开启低压挡，以减小轴承的微动磨损，微动磨损对轴承影响不小。工作模式二：液压系统中有两级压力阀，高压挡和低压挡。主轴低转速启动时用浮动静压力(低压挡压力)，主轴工作时用工作静压力(高压挡压力)，低压挡压力＜高压挡压力，高压挡压力≥轴瓦工作动压力，每块瓦进油管前有单向阀止回阀。
本滑动轴承也可以用于船舶推进上，承受艉轴的推力和各个方向的径向力；轴承座联结在艉轴上，艉轴再和船用齿轮箱联结或者和柴油机联结。
Claims (10)
1.一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，包括风电主轴(1)、可倾瓦径向滑动轴承(10)、球面可倾推力瓦(6)、推力瓦端盖(7)、弧柱面可倾瓦块(2)、可倾瓦轴承外圈座(4)、拆卸套(3)、定位油管(5)，所述可倾瓦径向滑动轴承(10)套在风电主轴(1)上，其特征在于：所述可倾瓦径向滑动轴承(10)的柱面设有若干块弧柱面可倾瓦块(2)，弧柱面可倾瓦块(2)的外侧设有可倾瓦轴承外圈座(4)和拆卸套(3)，所述可倾瓦径向滑动轴承(10)的两端面设有球面可倾推力瓦(6)，球面可倾推力瓦(6)的外侧设有推力瓦端盖(7)，球面可倾推力瓦(6)的整体背面为球面，可随着风电主轴(1)摆动，承受轴向推力，
弧柱面可倾瓦块(2)承受径向力，弧柱面可倾瓦块(2)背面为圆弧形，可随着风电主轴(1)轴心线摆动，弧柱面可倾瓦块(2)中心由定位油管(5)定位，定位油管(5)是空心的，管内通润滑油，用O形密封圈(8)密封，弧柱面可倾瓦块(2)和可倾瓦轴承外圈座(4)通过定位油管(5)定位，定位油管(5)上的主进油管(21)和可倾瓦轴承外圈座(4)连接，润滑油通过主进油管(21)和可倾瓦轴承外圈座(4)再进入弧柱面可倾瓦块(2)。
2.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，其特征在于：所述可倾瓦轴承外圈座(4)和拆卸套(3)联结，所述弧柱面可倾瓦块(2)的摩擦面上有两个对称的螺纹孔，弧柱面可倾瓦块(2)的两侧和两端均布有螺纹孔，推力瓦端盖(7)上有孔，拆卸弧柱面可倾瓦块(2)时用螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座(4)与不予拆卸的弧柱面可倾瓦块(2)的摩擦面上的螺纹孔连接把不予拆卸的弧柱面可倾瓦块(2)拉紧，作为辅助，用螺栓穿过推力瓦端盖(7)连接可倾瓦块(2)的端面上的螺纹孔，拉出拆卸套(3)后，再用螺栓与弧柱面可倾瓦块(2)端面的的螺纹孔连接拉拆出一块弧柱面可倾瓦块(2)，然后把新的弧柱面可倾瓦块(2)换上，利用端面的螺纹孔拉动，再用拉紧螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座(4)与换上的弧柱面可倾瓦块(2)连接定位。
3.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，其特征在于：所述弧柱面可倾瓦块(2)上有两个对称的螺纹孔，所述弧面可倾瓦块(2)上设有凹槽，凹槽内设有弹簧托架(11)和碟形弹簧(12)，所述弹簧托架(11)设置在凹槽的底部，弹簧托架(11)内设有碟形弹簧(12)，碟形弹簧(12)的上端设有预载顶盖(13)，预载顶盖(13)固定在弧面可倾瓦块(2)上，预载顶盖(13)的一侧与可倾瓦轴承外圈座(4)相接触，定位油管(5)从中心穿过预载顶盖(13)和弹簧托架(11)，安装弧柱面可倾瓦块(2)时，用两根螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座(4)拉紧弧柱面可倾瓦块(2)，瓦块摩擦面平行于风电主轴(1)中心线，安装完后去掉螺栓，在螺孔上端安装螺塞(14)和垫圈。
4.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，其特征在于：所述弧柱面可倾瓦块(2)上有两个对称的螺纹孔，所述螺孔的上端通过螺纹连接有弹簧顶块(15)，弹簧顶块(15)的下端与弧柱面可倾瓦块(2)上的螺纹孔之间设有圆柱弹簧(16)，弹簧顶块(15)的中心设有通孔，安装弧柱面可倾瓦块(2)时，用两根螺栓穿过可倾瓦轴承外圈座(4)拉紧弧柱面可倾瓦块(2)，螺栓穿过弹簧顶块(15)中心的通孔和圆柱弹簧(16)，螺栓的下部与弧柱面可倾瓦块(2)螺纹连接，瓦块摩擦面平行于风电主轴(1)中心线，安装完后去掉螺栓，在弹簧顶块(15)中心的通孔安装螺塞(14)和垫圈。
5.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，其特征在于：所述推力瓦端盖(7)的一侧设有跳动测量传感器(9)，所述跳动测量传感器(9)的测量端与风电主轴(1)的柱面相接触，通过跳动测量传感器(9)获得最大磨损量，通过分析可倾瓦径向滑动轴承的载荷谱可以找到磨损最大的瓦块，确定更换的弧柱面可倾瓦块(2)。
6.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，其特征在于：所述弧柱面可倾瓦块(2)的瓦块数确定方程为：
其中，n为瓦块数；Fr为轴承径向额定载荷值，Fxy力的方向在XY平面(轴心线的垂直平面)上都有可能，h为安全系数。F1···Fn为某轴瓦的压力，Fm为n个单个径向推力瓦的推力的最大值，p为单个轴瓦工作比压，ph为单个轴瓦许用比压；
在同一工况下，n个瓦块的可倾瓦径向滑动轴承最小油膜厚度为hmn,hmn-1为同一直径和宽度的n-1个瓦块的可倾瓦径向滑动轴承最小油膜厚度，hmn+1为同一直径和宽度的n+1个瓦块的可倾瓦径向滑动轴承最小油膜厚度，hmin为可倾瓦极限油膜厚度；c为瓦弧半径与轴颈半径之差，e为轴承坐标系中的轴的偏心距，θ为轴承坐标系中的偏位角，为从Y轴负方向开始计量的角度(rad)，/>为第i块轴瓦的支点位置角(从Y轴正方向顺着转动方向到瓦支点的角度)，R为轴瓦瓦弧半径，αi为第i块轴瓦的摆角，F*为承载能力特性值，和瓦块的支点偏置比和宽径比有关。
7.如权利要求6所述的一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，其特征在于：所述可倾瓦瓦块数为8；
Fbxy为前轴承座的可倾瓦径向滑动轴承径向力向量：
Fba,Fbb,Fbc,Fbd,Fbe,Fbf,Fbg,Fbh为前轴承座的可倾瓦径向滑动轴承8个瓦块的单个径向推力瓦的推力向量；
Fbxy＝Fba+Fbb+Fbc+Fbd+Fbe+Fbf+Fbg+Fbh；
Fdxy为后轴承座的可倾瓦径向滑动轴承径向力向量：
Fda,Fdd,Fdc,Fdd,Fde,Fdf,Fdg,Fdh为后轴承座的可倾瓦径向滑动轴承8个瓦块的单个径向推力瓦的推力向量；
Fdxy＝Fda+Fdd+Fdc+Fdd+Fde+Fdf+Fdg+Fdh；
Fz1和Fz1为风力发电机涡轮轴向力向量：
Fza,Fzb,Fzc,Fzd,Fze,Fzf,Fzg,Fzh,Fzi,Fzj,Fzk,Fzl,Fzm,Fzn,Fzo,Fzp为前轴承座的16个瓦块的单个轴向推力瓦的推力向量；
Fz1＝Fza+Fzb+Fzc+Fzd+Fze+Fzf+Fzg+Fzh；
Fz2＝Fzi+Fzj+Fzk+Fzl+Fzm+Fzn+Fzo+Fzp。
8.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，其特征在于：设A点为风力机涡轮，有Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz6个自由度力和扭矩，B点为风电主轴前轴承，径向有Fbx,Fby,Fbz3个力，Fbx和Fby为动静压可倾瓦径向滑动轴承瓦块产生的力，合力为Fbxy，Fbz为动静压球面可倾推力瓦组成，D点为风电主轴后轴承，径向有Fdx,Fdy2个力,Fdx,Fdy为动静压可倾瓦径向滑动轴承瓦块产生的力,合力为Fdxy，C点为风电主轴重心,为重力G，FHZ为Z向合力，FHX为X向合力，FHY为Y向合力，MHX为X向扭矩，MHY为Y向扭矩；
Fbxy为前轴承座载荷，Fdxy为后轴承座载荷；
9.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，其特征在于：所述弧柱面可倾瓦块(2)的径向受力和轴向受力动力学耦合方程为：
Mr和Mp表示风电主轴系统和风电主传动系统的质量矩阵；Fr和FP表示风电主轴轴承径向力向量和风电主传动系统的轴向力向量；Cr和CP表示风电主轴系统和风电主传动系统的阻尼矩阵；Xr和Kp表示风电主轴系统和风电主传动系统的刚度矩阵；Xr和Xp表示风电主轴轴承的径向和轴向的位移向量；
轴承刚度径向Kr和轴承径向阻尼Cr，Ks轴承体刚度，Koil油膜刚度；Czc为轴承体阻尼，Coil为油膜阻尼；
Koil＝Koilj+Koild；Koilj为油膜静压刚度，Koild为油膜动压刚度；
Cr＝Czc+Coil；Coil＝Coilj+Coild；Coilj为油膜静压阻尼，Coild为油膜动压阻尼。
10.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组主轴滑动轴承，其特征在于：所述弧柱面可倾瓦块(2)包括钢背(17)和铜合金层(18)，钢背(17)覆铜合金加耐磨低摩擦系数渗透层，铜合金有合适的硬度和延展性及导热性，铜合金层(18)表面的渗透层作为低速高压高可靠性滑动轴承摩擦面，采用负压铸渗工艺，材料为硬质陶瓷，所述弧柱面可倾瓦块(2)的制造方法为：用数控机床切割加工出圆环，用负压铸渗工艺在内孔铸造出覆铜合金摩擦层，然后将圆环切割出可倾瓦块；
滑动轴承连通过进油管连接液压系统，带有两级背压阀，高压挡和低压挡，具有两种工作模式，工作模式一：风电主轴低转速启动时，液压系统开启高压挡，抬高风电主轴，提高油垫厚度；高转速时轴承产生动压，液压系统产生的油压作用不大，所以高转速时关闭液压系统；无风时、低风速、停机时开启低压挡，以减小轴承的微动磨损，微动磨损对轴承影响不小；工作模式二：液压系统中有两级压力阀，高压挡和低压挡，主轴低转速启动时用浮动静压力(低压挡压力)，主轴工作时用工作静压力(高压挡压力)，低压挡压力＜高压挡压力，高压挡压力≥轴瓦工作动压力，每块瓦进油管前有单向阀止回阀。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117189773A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-12-08 | 宜兴市环宇轴瓦制造有限公司 | 具有阻尼特性的低功耗高速重载可倾瓦轴承 |
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Cited By (2)
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| CN117189773A (zh) * | 2023-09-18 | 2023-12-08 | 宜兴市环宇轴瓦制造有限公司 | 具有阻尼特性的低功耗高速重载可倾瓦轴承 |
| CN117189773B (zh) * | 2023-09-18 | 2024-02-27 | 宜兴市环宇轴瓦制造有限公司 | 具有阻尼特性的低功耗高速重载可倾瓦轴承 |
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