CN202012567U - 风力发电机主轴主轴承装置 - Google Patents

Abstract

风力发电机主轴主轴承装置，涉及风力发电机组。解决主轴承的两列滚子载荷悬殊的问题。本实用新型的特征在于：圆锥滚子轴承B的接触角小，圆锥滚子轴承A的接触角大；球面套的一侧端固定有压紧环，球面套的另一端设有挡边，圆锥滚子轴承B和圆锥滚子轴承A通过压紧环及挡边与球面套连接成一体；球面套的球心O₁相对于圆锥滚子轴承B和圆锥滚子轴承A的对称面与主轴轴线的交点O₂向左偏离；压紧环上沿周向均布压缩弹簧；球面套的另一侧端与传动件固接。本实用新型可应用于大装机容量的各类风力发电机组上。

Description

风力发电机主轴主轴承装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电机组，特别涉及大型风力发电机主轴的主轴承。

背景技术

风力发电作为一种清洁的可再生能源，日益受到世界各国的重视。

早期的风力发电机主轴配置上采用一个轴承，为了满足单轴承的设计要求，通常采用三排圆柱滚子轴承。该轴承的设计类似于回转支承，一列滚动体(类似于圆柱滚子轴承)承受所有的径向力，另外两列滚动体(类似于圆柱滚子推力轴承)承受系统中的双向轴向力。该轴承的两列滚动体在轴承做整圈旋转时，滚动体的两个端面不能达到同样的线速度而致滑动摩擦、发热，故该轴承不能满足日益走向大功率化的风力发电机的需求。

截至目前，风力发电机双主轴滚动轴承的主流配置设计，世界上仍然采用两个双列调心滚子轴承分别作为定位和浮动轴承，成为主轴轴承的联合支承；固定端调心滚子轴承承受轴向力和径向力，浮动端调心滚子轴承只承受径向力，这两个轴承有分别的轴承座。从滚动轴承设计规范讲，双列调心滚子轴承承受的轴向力只能是径向力的15％到20％；在某些应用中，这个比值虽然可以达到30％甚至35％，但可能会出现一列不受力、两列应力不均、滚子倾斜、保持架变形、产生过多的热量、滚子斑点剥落等情况；但风力发电机主轴固定端轴承的受力比例(轴向力比径向力)一般在60％左右，这会导致只有一列承受径向力及轴向力，而另一列滚子不受力，这样会带来很多问题，包括：承载能力降低，寿命降低，滚子端面和挡边接触发热等问题，轴承无法按照原来设计的方式进行运转。

目前，一些公司提出了双列圆锥滚子轴承加单列圆柱滚子轴承的新方案，即是在固定端使用轻预紧的双列圆锥滚子轴承(此乃“主轴承”)，在浮动端使用单列圆柱滚子轴承(此乃“辅轴承”)。图1为现有技术主轴主轴承的结构示意图：它由两列相等接触角的圆锥滚子轴承B3和圆锥滚子轴承A 6进行“面对面”组配，一个对称(球心为两列轴承内套圈接触面与主轴轴线的交点)球面套7的内柱面以两侧的压环2将两列圆锥滚子轴承联成一体；这两列轴承的内套圈由主轴4的台肩4-1与卡环5紧固起来；球面套7与轴承座8为球面铰接；键1限制球面套7与轴承座8绕主轴4轴线的相对转动。

其实，这种布置并没有解决主轴主轴承的两列滚子载荷悬殊的问题：首先，对称球面铰的调心作用，确保了两列轴承的径向载荷相等，即将主轴承总径向载荷P₀平均分配给两列轴承，即P_A=P_B=P₀/2，而主轴的轴向载荷也都由轴承A承担；由于轴向力F₀很大(如上述，一般可达径向力的60％左右)，轴承A的所有受力件及其相联的压环(含紧固件)都将发生弹性变形，致使主轴沿轴力F₀方向移动，结果是：轴承A在全部承担轴向力F₀的同时，还要与轴承B均担总径向力，载荷毫无削减；而轴承B安装时的“轻预紧”将因主轴的移动而消失，起不到改善受力状态的作用；这样，或者因为轴承A的载荷大，或者因为轴承B的径向游隙大，都会造成它们最不利受力元件的过早疲劳失效，导致整个主轴轴承的短命。

统计数据显示：风力发电机主轴轴承70％以上达不到预期寿命；在投产4-5年后就发生故障的不为鲜见；20年的寿命预期，可望而不可及。

发明内容

本实用新型的目的，就是改变传统的轴承组配方式，提供一种风力发电机主轴主轴承装置，解决主轴承的两列滚子载荷悬殊的问题，使每套轴承、每列滚子的载荷分配趋于均衡，近于等寿命设计，突破受力元件的‘高负载、低寿命’的瓶颈；同时，应用冗余设计原则，可在线转换轴承外套圈的工作区域；达到提高轴承整体使用寿命的目的，并在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构优化、模块化。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种风力发电机主轴主轴承装置，包括：两列对称设置的圆锥滚子轴承B和圆锥滚子轴承A，所述圆锥滚子轴承B和圆锥滚子轴承A的内套圈套装在主轴上，并通过主轴台肩和卡环固接，所述圆锥滚子轴承B和圆锥滚子轴承A的外套圈与球面套的内柱面连接，所述球面套的外球面与轴承座的内球面铰接，所述球面套与所述轴承座之间设有键；其特征在于：所述圆锥滚子轴承B的接触角小，所述圆锥滚子轴承A的接触角大；所述球面套的一侧端固定有压紧环，所述球面套的另一端设有挡边，所述圆锥滚子轴承B和所述圆锥滚子轴承A通过所述压紧环及挡边与所述球面套连接成一体；所述球面套的球心O₁相对于所述圆锥滚子轴承B和圆锥滚子轴承A的对称面与主轴轴线的交点O₂向左偏离；所述压紧环上沿周向均布压缩弹簧；所述球面套的另一侧端与传动件固接。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1.主轴承采用不等接触角(角度由计算确定)的两个单列圆锥滚子轴承“面对面”组配，且位置特定；

2.采用了一个“非对称”的球面套，其外球面与轴承座的内球面为“球面铰”滑动配合，其内柱面借助于其挡边和压紧环将两个单列圆锥滚子联为一体，成为一个独立的装置；

3.“非对称”球面套可带动主轴承的不等接触角的两个单列圆锥滚子轴承的外套圈在轴承座内在线绕主轴轴线转动(180°或3个120°)；

4.在压紧环上，沿周向均布压缩弹簧，对非承受轴向力侧轴承的外套圈施以“恒压力”式预紧；

5.按照滚动轴承理论，注重载荷对寿命的影响：对于线接触滚子轴承，其疲劳寿命的计算公式为(“滚动轴承分析计算与应用罗继伟等机械工业出版社2009.6”)：

$L={\left(\frac{Q_c}{Q_e}\right)}^4$

式中：L-可靠度为90％的疲劳寿命

Qc-滚道的额定动载荷  以1×10⁶转计

Qe-套圈的当量载荷

滚道的额定动载荷Qc，主要与套圈(分旋转套圈与不旋转套圈)的结构、尺寸和材质等有关，是“与生俱来”的；而套圈的当量载荷Qe，主要与滚动体的实际载荷及分布有关，是“后天、人为”的；显然，预期寿命是可以设定的，其关键在于对“后天”的掌控；

假定，经调整，现当量载荷是原当量载荷的0.9倍，则疲劳寿命提高了52.4％！足见，对滚动轴承来说，其载荷及其分布的调整意义非凡；

$L^{\′}={\left(\frac{Q_c}{0.9Q_e}\right)}^4={\left(\frac{1}{0.9}\right)}^4{\left(\frac{Q_c}{Q_e}\right)}^4=1.524L$

6.按照“木桶理论”，利用“非对称”的球面套作用，实现了载荷的均化，降低了最高应力、改善了受力状况，解决了短寿命受力件的载荷问题，提高了主轴承的整体使用寿命。

附图说明

图1是现有技术主轴主轴承的结构示意图：

图2是本实用新型的结构示意图。

下面结合附图通过较佳实施例对本实用新型作详细说明。

具体实施方式

如图2所示，一种风力发电机主轴主轴承装置，包括：两列对称设置(即面对面组配)的圆锥滚子轴承B3和圆锥滚子轴承A6，所述圆锥滚子轴承B3和圆锥滚子轴承A6的内套圈套装在主轴4上，并通过主轴台肩4-1和卡环5固接，所述圆锥滚子轴承B 3和圆锥滚子轴承A 6的外套圈与球面套7的内柱面连接，所述球面套7的一侧端固定有压紧环2，所述球面套7的另一端设有挡边7-1，所述锥滚子轴承B3和所述锥滚子轴承A6通过所述压紧环2及挡边7-1与所述球面套7连接成一体；所述球面套7的外球面与轴承座8的内球面铰接，所述球面套7与所述轴承座8之间设有键1。

所述圆锥滚子轴承B3的接触角小，所述圆锥滚子轴承A6的接触角大(接触角也称“公称接触角”，是轴承外套圈滚道素线与其中心线的夹角；接触角大，轴承的轴向承载能力大，但径向承载能力相应变小；接触角小，轴承的轴向承载能力小，但径向承载能力相应变大；两个接触角的取值，视主轴承工作的实际载荷由计算分别确定)；所述球面套7的球心O₁相对于所述圆锥滚子轴承B3和圆锥滚子轴承A6的对称面与主轴轴线的交点O₂向左偏离；所述压紧环2上沿周向均布压缩弹簧3；所述球面套7的另一侧端与传动件10固接。

上述结构不是主轴承的全部，但它却是主轴承的一个完整、独立的核心部件。其结构关系与载荷情况是：轴向载荷矢量F₀为从左向右(水平)；径向载荷矢量P₀为自上而下(垂直)；单列圆锥滚子轴承B3位于左侧，它的接触角小；单列圆锥滚子轴承A6位于右侧，它的接触角大；它们俩“面对面”组配(内套圈接触)；球面套7的内柱面与两个轴承的外套圈动配合(有键，限制它们间的相对转动，允许有轴向相对移动，该键未在图中画出)，球面套的外球面与轴承座8的内球面滑动配合，它们之间的键1，限制绕主轴轴线的相对转动；这个球面套7的球心不在两个轴承的对称面(轴承内套圈的接触面)与主轴轴线的交点O₂上，而是在向左移动距离e的O₁上，为区别于当前所通用的“对称”球面套，将其称之为“非对称”球面套；压紧环2以螺栓固定在球面套7上；在压紧环2上均布压缩弹簧9；传动件(外齿圈或蜗轮齿圈)10固定在球面套7上。其作用原理是：

1.如图2所示，两个单列圆锥滚子轴承的接触角不同，承受主轴轴向力的圆锥滚子轴承A6的接触角大，而只在特殊情况下起保护(止推)作用的圆锥滚子轴承B3的接触角小，这就充分利用了它们的轴向承载能力的优势；

2.如图2所示，本实用新型为具有径向-轴向联合承载能力的中间轴承，故用‘内为柱面、外为球面’的球面套7将两个进行“面对面”组配的单列圆锥滚子轴承3、6联成一体，成为本实用新型具有相应功能的主轴承装置；

3.如图2所示，本实用新型，除了具有上述功能外，还具有协调两列轴承总承载(即轴向、径向的综合承载)水平的功能；为此，将球面套7制成“非对称”式(球心为O₁)，它与轴承座8的接触点为D；D点的合理选择，可将竖直载荷P₀按要求更多地分配给具有小接触角的轴承B上，(即做到P_B＞P_A)，发挥它的径向承载能力大的优势，达到协调两列轴承的总承载水平，实现疲劳寿命的理论近似；

4.如图2所示，工作时，轴承A6在主轴轴向力F0的作用下，由于各受力件的弹性变形而致主轴的轴向移动，造成轴承B3的径向间隙增大，这样，即或是有初始预紧的情况都不会时刻保持合适的预紧力；本实用新型是在压紧环2上设置周向均布的压紧弹簧9，时刻压紧轴承B3的外套圈，这将使轴承B3时刻保持合适的、几乎是恒定的预紧力，保持轴承内工作区域的足够大(即在工作区域内的承载滚子足够多)，使滚子载荷趋于均匀，提高疲劳寿命；

5.如图2所示，在球面套7上固定一个传动件10，再在轴承座8上配备相关件，即可实现其带动主轴承的两列圆锥滚子轴承的外套圈在轴承座内(即在线)转动(180°或3个120°；当每次转动180°时，即将外套圈设置成2个工作区域；当每次转动120°时，即将外套圈设置成3个工作区域)；改变外套圈与滚子的最大接触应力处的位置(亦即转换外套圈工作包容角的位置)，实现冗余设计，延长疲劳寿命；

6.如图2所示，轴承B虽然接触角小，但也有足够的轴向承载能力，完全可以在特殊情况(风突然从风机的背后吹来，偏航系统来不及调整)下，起到保护作用。

应用本实用新型的“非对称”球面套将不等接触角的两个单列圆锥滚子轴承“面对面”组配起来的主轴承装置，可以设计、制造出更具优势的风力发电机主轴主轴承，广泛地应用于大装机容量(兆瓦级)的双馈式、直驱式及混合式的陆上、海上的各类风力发电机组上。原则上，也适用于类似工况的各类机械上。

Claims (1)

1.一种风力发电机主轴主轴承装置，包括：两列对称设置的圆锥滚子轴承B(3)和圆锥滚子轴承A(6)，所述圆锥滚子轴承B(3)和圆锥滚子轴承A(6)的内套圈套装在主轴(4)上，并通过主轴台肩(4-1)和卡环(5)固接，所述圆锥滚子轴承B(3)和圆锥滚子轴承A(6)的外套圈与球面套(7)的内柱面连接，所述球面套(7)的外球面与轴承座(8)的内球面铰接，所述球面套(7)与所述轴承座(8)之间设有键(1)；其特征在于：所述圆锥滚子轴承B(3)的接触角小，所述圆锥滚子轴承A(6)的接触角大；所述球面套(7)的一侧端固定有压紧环(2)，所述球面套(7)的另一端设有挡边(7-1)，所述圆锥滚子轴承B(3)和所述圆锥滚子轴承A(6)通过所述压紧环(2)及挡边(7-1)与所述球面套(7)连接成一体；所述球面套(7)的球心O₁相对于所述圆锥滚子轴承B(3)和圆锥滚子轴承A(6)的对称面与主轴轴线的交点O₂向左偏离；所述压紧环(2)上沿周向均布压缩弹簧(3)；所述球面套(7)的另一侧端与传动件(8)固接。

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