大型風電機組主軸軸承壓緊工藝探討

席瑞萍

（太原重工新能源裝備有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

受生態(tài)環(huán)境變化及能源安全等問題的影響， 利用可再生能源風能等推動能源結構轉型， 不僅是當今國際共識， 也是世界經(jīng)濟發(fā)展的動力之一。 截止至2019 年底，我國已完成風電裝機2.1 億kW， 在全球風電市場的占比為33%， 同時也是全球風電裝機量增長最為顯著的國家之一。 國內風電市場廠商眾多、競爭激烈，受市場競爭壓力加大、政府補貼退坡等諸多因素影響，度電成本作為決定報價的關鍵指標，降低度電成本尤為重要。使得風電機組發(fā)展呈現(xiàn)出單機功率大型化、 低風速適應性持續(xù)增強、零部件性能持續(xù)提升、風電場智能化技術快速發(fā)展、電網(wǎng)友好型技術持續(xù)發(fā)展等趨勢。

其中，在低風速適應性持續(xù)增強方面，主要表現(xiàn)在為適應面積約占全國風能資源區(qū)的68%低風速資源， 各大主流風電設備企業(yè)開發(fā)了風速最低下探至4.5m/s 的機型。 陸上風機葉輪直徑已在短短的十幾年間從70 多米增長到了150 多米，海上風機葉輪直徑更是長達180 多米，GE 甚至在2020 年度初宣布推出的下一代海上風機葉輪直徑達到220m。

風機向大型化發(fā)展，給主軸系統(tǒng)帶來了一定的困難，傳動鏈主要構件的尺寸進一步加大，以主軸軸承為例，國內某公司10MW 海上永磁直驅風機使用的高可靠性單列圓錐滾子軸承外徑已分別達到3.2m 和3.1m。 作為風機關鍵傳動部件， 主軸軸承的裝配質量對運行過程中的可靠性起著較大影響。 本文就大型風機主軸軸承裝配過程中的壓緊工藝環(huán)節(jié)進行探討。

1 主軸的傳動結構

風電機組主傳動的核心部件是主軸軸承， 由于風電機組使用的環(huán)境較為惡劣（包括腐蝕、風潮濕和低溫），受載情況復雜[1]，除了在機組設計階段及型號選擇中應進行充分的分析和論證外， 主軸軸承的裝配亦是主軸系統(tǒng)裝配中的重要一環(huán)。 在主軸軸承的各種失效形式中，因軸承安裝工藝或裝配使用工具不當導致軸承過早損壞的比例約為16%。

隨著風力發(fā)電機組功率的不斷提高， 以往在主軸支撐結構中使用較多的調心滾子軸承正在逐漸地被圓錐滾子軸承方案所取代。常見的圓錐滾子軸承方案有三種，分別為雙列圓錐滾子軸承+圓柱軸承方案，兩個單列圓錐滾子軸承配合使用方案以及一個超大雙列圓錐滾子軸承方案[2]。這三種方案是風機主軸上常見的圓錐滾子軸承選型方案，它們各有特點，適合于不同的風機。

2 主軸軸承的安裝要求

本文以某型風機主軸軸承為例進行分析。 該風機選用的主軸軸承為兩個單列圓錐滾子軸承， 采用背對背的布置形式，此結構一般為主軸被2 個圓錐滾子軸承支承，2 個主軸軸承共用1 個軸承座[3]，主軸一般為長度較長、直徑較小的結構， 齒輪箱與主軸之間的連接多采用脹緊套或螺栓連接。此結構軸承屬于可分離型軸承，內圈與滾子、保持架一起組成的組件及外圈分別單獨安裝。通常情況下，在安裝時可以將內圈、保持架、滾動體組件壓裝在主軸上，之后將外圈單獨裝進軸承座孔內，裝配時需將2個軸承進行調節(jié)，預留一定的安裝預緊量。 通常情況下，軸承的內圈與主軸處為過盈配合， 將軸承加熱至一定溫度后，可較容易套放在主軸軸頸上；但在軸承冷卻的過程中，軸承內圈會沿寬度方向收縮，此時在軸承與軸套端面間會出現(xiàn)間隙，因此，在軸承冷卻過程中需采用合理的裝配工藝、適用的軸承壓緊工裝來控制軸向間隙，確保軸承內圈端面與軸肩緊密貼合，最大間隙不大于0.1mm[4]。

3 壓緊工藝介紹

目前風機主軸軸承常用的壓緊方法主要有[5]：

3.1 利用鎖緊螺母預緊

此方法需要設計一適用扳手卡住鎖緊螺母， 利用給定的力沖擊扳手，使螺母旋轉，同時靠力矩扳手擰緊鎖緊螺母產(chǎn)生的軸向力壓緊軸承。 在軸承溫度冷卻至室溫的過程中，需多次給扳手施加擰緊力，實現(xiàn)軸承的無間隙貼合， 使用塞尺測量軸承內圈端面與軸肩間隙值不大于0.1mm 即可。 在完成軸承壓緊后，拆掉扳手，隨后根據(jù)裝配工藝完成后續(xù)工作。

3.2 利用液壓裝置進行壓緊

此方法需要設一轉軸在主軸套座內， 同時設計一液壓機構環(huán)座，安裝于主軸套座內，環(huán)座的內側安裝活塞環(huán)，環(huán)座與活塞環(huán)間設計液壓室，液壓室具有緩沖及推移的作用，通過液壓室的緩沖及軸承的預緊力施加給支撐轉軸， 以此改變主軸整體結構的剛性及阻尼效果，達到預緊效果。

3.3 螺栓壓緊

根據(jù)此4.XMW 主傳動結構設計，在安裝軸承前需安裝端蓋， 主軸上用于固定壓緊工裝的孔距離軸承內圈安裝位置約1000mm。 為確保在軸承熱裝后，通過預緊提高軸承剛度，保證預緊后的軸承受到工作載荷時，內外圈的徑向和軸向變形相對于沒有預緊時要小得多， 就需選擇適用于現(xiàn)場安裝的省時、省力、又節(jié)約成本的壓緊工裝，本文選用螺栓壓緊方案。 介紹如下：

考慮到軸承加熱后的及時安裝壓緊，遵循縮短現(xiàn)場裝配工裝時間及拆裝方便原則，此方案改為：取消支撐，改為在主軸下方墊放一定厚度的底座，用螺桿將壓環(huán)1 與底座連接（為保證受力均勻，螺桿采用圓周24 個均布），見圖1。

表1 對鎖緊螺母壓緊方案、 液壓壓緊方案及螺栓壓緊方案就結構復雜性、制作、安裝、受力分布、壓緊效果等各方面進行了對比。

圖1 壓緊工裝

表1 方案對比

4 結束語

本文介紹了3 種常用軸承壓緊的方法， 并就以上3種壓緊方案闡述每種方案的優(yōu)缺點并進行綜合分析比較，選用了壓環(huán)螺桿方式更適用于現(xiàn)場安裝裝配，可用較少時間取得更好效果， 同時也為該種類型主軸軸承的壓緊提供了參考。