轴承属于风电机组的核心零部件。风电轴承的范围涉及从叶片、主轴和偏航所用的轴承、到齿轮箱和发电机中所用的高速轴承。下面就随小编一起了解风电轴承的技术要点！
风力发电机轴承
风力发电机用轴承大致可以分为三类，即：偏航轴承、变桨轴承、传动系统轴承(主轴和变速箱用轴承)。因其使用环境条件复杂，可靠性和寿命要求高，所以设计和制造难度较大。本文结合国内、外的实用经验和研发成果，简要解说风机轴承的设计特点，技术要求，以及研制和选用时应注意事项。
风力发电机配套轴承主要用在偏航系统、变浆系统、变速器和发动机等部位，其中每个机组主要包括偏航轴承1套，风叶主轴轴承2套，变速箱轴承15套左右，发电机轴承2套左右，轴承结构形式众多。
1、代号方法
国外各家厂商的风电轴承的代号尚未确切信息，国产风力发电机偏航、变桨轴承代号方法采用JB／T 10471―2004中转盘轴承的代号方法，但是在风力发电机偏航、变桨轴承中出现了双排四点接触球式转盘轴承，而此结构轴承的代号在JB／T 10471―2004中没有规定，因此，在风电轴承标准中增加了双排四点接触球转盘轴承的代号。由于单排四点接触球转盘轴承的结构型式用01代号表示，而02代号表示的是双排异径球转盘轴承结构型式，因此有公司用03代号表示双排四点接触球转盘轴承结构。
2、技术要求
2.1基本要求
风力发电机常年在野外工作，工况条件恶劣，温度、湿度和轴承载荷变化很大，风速最高可达23m/s，且带有冲击载荷，因此要求轴承有良好的密封和润滑性能、耐冲击、长寿命和高可靠性。
因为发电机在2-3级风时就要启动，并能跟随风向变化而转动，所以需要特殊的轴承结构设计，以保证满足低摩擦、高灵敏度的要求。在设计和制造中，对外圈带齿的大型偏航轴承的材料加工、热处理、润滑、密封和防腐都有特别高的要求，需要进行专门设计研究。风力发电机主机寿命设定为20年，因此，要求风电轴承的可靠性寿命与机组寿命相同，且在20年以上，这是因为轴承安装位置不易拆装，且拆装费用高，周期长。
2.2安装部位
在风机的转子主轴、齿轮箱（增速机）、发电机、偏航齿轮箱（减速机）、以及偏航旋转座、叶片节矩旋转座、液压泵等部位都使用轴承。偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部，变桨轴承安装在每个叶片的根部与轮毂连接部位。其中用于变桨和偏航系统的变桨轴承和偏航轴承为特大型转盘轴承。
2.3设计要求
2.3.1转子主轴轴承
转子主轴轴承，在经受变动负荷的同时，需反复不规律地起动、加速、减速、停止。因此除研究转子主轴轴承设计外，对轴承类型、轴承游隙、轴承滚子个数、凸面加工、保持架结构等各种条件，特别是对轴承使用部位的最小负荷、平均负荷、最大负荷，以及最佳技术条件的研究尤为重要。
设计时要考虑到最大承载负荷时，轴箱的必要强度和平均载荷时轴箱的变形，需进行轴承寿命的研究，选择满足没有额外累赘的瘦身轴箱设计，并在实用上充分计算主轴轴承的寿命。
另外，需考虑轴箱和外圈滚道面的变形，计算出各滚动体负荷，以及计算旋转套圈和固定套圈各自的寿命。
依据ISO,IEC,GL等国际规定对轴承理论寿命的计算制订指导方针。计算基准为：工作时间175000小时（20年）以上，安全率（静额定载荷/静等效载荷）2.0。
轴承的理论寿命采用以下公式进行计算：
Lmnh=aISO×106/60n（C/P）p
aISO：寿命修正系数
n:旋转速度（min-1）
C:基本动额定载荷（N）
P:动等效载荷
p:球轴承p=3 ；滚子轴承p=10/3
2.3.2 发电机用轴承
通常在发电机中配置深沟球轴承支持转子并采用脂润滑。用于发电机的轴承必须防止电蚀损伤。为此，在轴承外圈的外径部位至侧面均应喷镀特殊陶瓷层。喷镀绝缘陶瓷的轴承的抗电阻值要大于100MΩ，具有抗绝缘破坏电压2KV以上的绝缘性能。
2.3.3增速机轴承
增速机中使用的变桨轴承要求具有高可靠性，轻量化及小型化的特点。特别是游星轴承和中，高速轴的支承轴承，由于受轴向载荷和径向载荷的合成载荷作用，轴承寿命受到很大影响。与低速轴的轴承相比，该部位须采用既具有高载荷能力又具有高速性的轴承。
2.3.4偏航驱动装置轴承
偏航驱动装置轴承应符合减速机要求的既小型化，又大扭矩传输的特性，设计的截面要低，具有高刚性承受来自小齿轮的力矩载荷。为此，用于减速机主轴的角接触球轴承采用加深内外圈滚道沟，提高轴向载荷能力的特殊设计。
2.3.5结构形式
由于风电用转盘轴承除受较大的倾覆力矩外，还受空气动力和叶片转动等多种复杂疲劳载荷的影响，再加上高可靠些和长寿命的要求，更应在设计结构时注意轴承的动载荷能力，尤其是滚道的抗疲劳寿命。虽然国内标准已对变桨和转盘轴承的结构形式作出规定，但并没有给出合理的选型结构，从目前的装机使用情况来看，变桨轴承多采用双排四点接触球轴承，偏航轴承多采用单排四点接触球轴承，也有少量采用交叉滚子或其他形式的。
2.4材料
风电轴承的偏航、变桨轴承套圈材料一般选用42CrMo钢材，热处理采用整体调质处理，调质后硬度为229HB―269HB，滚道部分采用表面淬火，淬火硬度为55HRC-62HRC。传动系统轴承套圈一般采用ZGGr15或ZGGr15SiMn钢材制造。由于风力发电机偏航、变桨轴承的受力情况复杂，而且轴承承受的冲击和振动比较大，因此，要求轴承既能承受冲击，又能承受较大载荷。轴承套圈的基体硬度为229HB-269HB，才能保证承受冲击而不发生塑性变形，同时滚道部分表面淬火硬度要达到55HRC-62HRC，以便增加接触疲劳寿命，从而保证轴承长寿命的使用要求。鉴于我国先期安装风机的新疆、内蒙等地，气侯温差变化大、寒冷期长，风沙多，所以国内较早研制风机轴承的两大公司一开始均选用韩国釜山、平山钢铁公司的钢材，其主要特点是，耐低温冲击功性能优良。后来，因交货周期长和价格调升，现在也有改用日本三洋公司的钢材。
2.5低温冲击功
风电轴承标准对偏航、变桨转盘轴承套圈低温冲击功要求：―20℃Akv，不小于27J，冷态下的Akv值可与用户协商确定。有时风力发电机的工作地点可能处于极寒冷地区，所处环境温度低至―40℃左右，通常工作温度为―20℃左右，这就要求轴承在低温条件下，还能够承受大的冲击载荷，因此，在对轴承套圈材料调质处理后，必须进行低温冲击功试验。即取自轴承套圈上的一部分做成样件，或者选用与套圈同等性能和相同热处理条件下的样件，在―20℃环境温度下作冲击功试验。
2.6支承齿圈加工及热处理
由于风力发电机轴承的传动精度不高，而且齿圈直径比较大，齿轮模数也大，因此，一般要求齿轮按GB／T10095．2---2001中的9级，或者10级的精度等级加工。但是，由于在工作状态下小齿轮和轴承齿圈之间有冲击负荷，因此，要对轴承齿圈的齿面淬火。小齿轮的齿面硬度一般在60HRC，考虑到等效寿命的设计要求，规定大齿轮的齿面淬火硬度不低于45HRC。由于实际使用过程中有98%的损坏来自滚道的损坏，因此对滚道表面淬火硬度、淬硬层有特殊要求，一般要达到55 ~ 62 HRC 。
2.7游隙
在安装游隙方面对偏航、变桨轴承有特殊的要求。相对于偏航轴承，变桨轴承的冲击载荷较大，考虑到大风吹到叶片上的震动会很大，所以要求变桨轴承的游隙应为零游隙，或稍小的负游隙值，这样在震动的情况下可减小轴承的微动磨损。要求的偏航轴承用小游隙值：0-0.05。另外，由于风力发电机的驱动电机都是由偏航和变桨轴承来传动，应能保证轴承在负游隙或小游隙状态下转动驱动电机。因此，在轴承装配后，需要空载测量启动摩擦力矩，根据主机驱动系统的不同，具体的力矩数值也不尽相同。
2.8 润滑
由于风电轴承的野外作业环境恶劣，受载荷复杂，经常需在极高温、极低温、昼夜温差大和转速变化多的环境下工作，推荐选用适应性强的锂复合基脂和聚脲基脂的润滑脂。针对我国风力发电机的分布情况，风电轴承的润滑剂要求具有耐低温、极压抗磨和热稳定性，国外一般推荐使用含固体添加剂的1# 稠度的低温润滑脂，在-40℃以下仍能润滑，国产润滑脂可用7011低温极压润滑脂。
某公司早先开发的风电轴承按参照丹麦维斯塔斯、美国GE和苏司兰等国外公司的推荐，采用厂商指定的美孚Mobil SHC 460WT润滑脂或壳牌Sheel Rhodina BBZ（变桨轴承）润滑脂，以及（德国）Fuchs Gleitmo 585k （偏航轴承）。特别是：Mobil SHC 460WT润滑脂的性能出色，适宜偏航、变桨和主轴轴承，作业温度范围为-40℃至150℃ 。
2.9 密封
风电轴承的密封材料一般采用丁晴橡胶（SN7453），结构形式为唇形密封圈。在气候寒冷，温差大的地区，则选用氟橡胶材料的密封圈 ，其耐寒性能强，工作温度范围宽，高温可适应200℃左右。采用国外某些大企业选用的双唇形密封结构，能有效防止辐射和氧化气体进入轴承内；另外，对于特别环境的风场，还应考虑专用的密封圈材料和结构设计。
2.10防腐处理
由于风力发电机设备的部分安装部位裸露在外面，尤其是海上风力发电机，长期工作于海上腐蚀性盐雾环境下，必须严格保证密封质量。要求对偏航和变桨轴承的齿面和滚道，以及其他表面部分进行防腐处理，一般先作喷砂处理，再热喷涂镀（镀锌或铬）。根据需要，可在镀锌层外部采取刷漆保护措施。
3、结语
风机轴承开发研制中，存在的主要技术难点是实现长寿命所需要的密封结构和润滑脂、特殊的滚道加工方法和热处理技术、专用保持架结构设计和加工制造方法等。目前国内的技术水平与国外先进水平相比仍存在较大差距，但近几年来我国的某些研究单位已经在这些方面取得了一些突破性的进展，这些研究成果，必将加速风机轴承国产化的进程。笔者综述的关键技术要点，仅作为抛砖引玉，启发从事风电轴承设计和研制人员的思考，并引起重视，以期对国内风电轴承的研发和自主创新有所帮助。
