风电偏航和变桨轴承的安装与维护

赵雁，崔旋，戴天任，高聪颖,刘攀

(洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039)

风电作为清洁可再生能源，近些年来，在全世界范围内受到越来越广泛的重视，发展步伐也越来越快[1]，对风电轴承的需求也日益增加。由于风力发电机使用环境恶劣，维修成本高，主机对风电轴承寿命提出了非常高的要求。风电轴承的性能与寿命不仅与轴承的加工精度有关，其安装和日常维护也起到了至关重要的作用，正确安装和合理维护是保证轴承的精度和性能、提高其使用寿命、使风电主机长期稳定运转的有力保障。

1 风电偏航和变桨轴承的特点

偏航和变桨轴承为特大型转盘轴承，与普通转盘轴承一样，由套圈、滚动体、密封件、保持架或隔离块组成，其内圈或外圈多数带有传动齿，通过与主机配套的小齿轮啮合来传递扭矩。轴承的结构多采用四点接触球式，根据其工作场合的需求带有安装孔、润滑油孔及吊装孔，风力发电机的偏航系统多采用单排四点接触球轴承，而变桨系统多采用双排四点接触球轴承。

偏航和变桨轴承承受不定风力所产生的冲击载荷，具有间歇工作，传递扭矩较大，传动比高的特点。因此，要求轴承游隙小或者为零游隙或小负游隙，以减小滚动面的微动磨损[2]。加工过程中需对滚道表面进行淬火处理，以提高滚道硬度，提高轴承的承载能力。另外，在套圈圆周分布有多个油孔对滚道进行润滑。

偏航和变桨轴承要承受很大的倾覆力矩，且部分裸露在外，易受沙尘、水雾、冰冻等污染侵害[2]。因此，在轴承的上、下端面安装密封条防止润滑脂的泄漏，同时阻隔外界水分、灰尘等污染物的侵入。轴承外表面还需要进行防腐处理，一般方法是喷涂纯锌或纯铝，长期裸露在外的表面还应进行喷漆保护。

2 安装

偏航和变桨轴承的安装主要是通过连接螺栓将轴承的内、外套圈固定在相对应的基座上。因此，安装基座的结构、尺寸及平行度等各项指标，以及螺栓的规格、连接方法是影响风电轴承可靠性和安全性的主要因素。由于轴承的尺寸大、重量重，若安装不当极易造成套圈变形，因此，在安装过程中对基座和螺栓有一定的技术要求。

2.1 基座的技术要求

偏航、变桨轴承的直径远大于其截面尺寸，其必须安装在经机加工的支承基座上，以保证对所传递的载荷具有足够的刚度，保证载荷的均匀分布，从而避免运行时产生不利于轴承工作的变形。因此，支承基座采用带凸缘的圆柱式或管筒式结构(图1)，其比带加强筋的薄壁式更能保证硬度和受载的均匀性。支承基座表面的宽度应不小于轴承套圈的相应宽度，其厚度约不低于轴承回转中心径的1/30；基座表面的平面度不能大于规定值，否则可能会导致滚道变形，缩短轴承使用寿命；在最大载荷下，支承基座安装表面倾斜度测量值在以第一个测点为起始点的180°扇形区域内只能达到一次峰值(按顺时针或逆时针缓慢测量倾斜度)。表1数据为国外某知名风电轴承制造企业对基座的技术要求[3]。我国风力发电机轴承行业标准JB/T 10705—2007虽并未对支承基座的厚度做出规定，但对支承配合面的平面度及倾斜度针对轴承各个精度等级做了更详细的划分，同时给出了端面粗糙度值，见表2[4](表中L=1个孔距)。如果安装前检测出支承基座不能满足上述技术要求，则需对连接表面进行再加工，使基座达到技术要求，以防螺栓拧紧后支承变形，影响轴承的使用性能。

图1 支承基座示意图

表1 某企业对风电轴承基座的技术要求 mm

表2 支承零件连接表面的技术要求

2.2 安装准备

轴承安装前，先对支承基座的安装面进行检查，确保支承座结构符合技术要求，同时检查有无金属屑、焊粒、锈蚀痕迹。轴承打开包装后用吊装螺栓拧在内圈或外圈的吊装孔内，将轴承搬运到安装位置，为了保证吊装过程的平稳性，严禁两点吊装。

2.3 定位

转盘轴承滚道淬火后为了防止二次淬火，会在淬火的起点与终点留下一定长度的无淬火区，称为淬火软带，其表面硬度较低，承载能力较差，因此安装时需对轴承进行定位，使软带处于非载荷区或非经常受荷区。定位步骤如下：

(1)确定轴承的主承载区域；

(2)将淬火软带设定在与主承载轴或承载臂成90°的位置上；

(3)若载荷主要为径向，尤其是轴承垂直安装时需将轴承强制对中；

(4)将轴承与连接底座贴靠紧密，使轴承孔与支承座的安装孔一一对应。

2.4 连接件的选择与紧固

2.4.1 连接件的选择

轴承在安装时一般通过螺栓固定在主机上，变桨轴承外圈与轮毂相连，内圈与风机的叶片相连，偏航轴承无齿圈与塔架相连，有齿圈与座舱相连。因此，安装时需采用高强度螺栓保证连接的紧固性，如质量等级为8.8级、10.9级或12.9级的螺栓，国内外采用10.9级的螺栓居多。连接件的选择还有如下几点要求：

(1)禁止采用通螺纹的螺栓；

(2)禁止采用使用过的螺栓和垫圈；

(3)螺纹长度应保证不小于5倍螺栓直径；

(4)安装螺栓时可选用调质平垫圈，禁止使用弹簧垫圈。

2.4.2 紧固

轴承径向定位后，在螺纹处注入少许润滑油，采用“十字交叉拧紧法”安装螺栓，使整个圆周上获得均匀的紧固力。螺栓上的预紧力矩与螺栓强度等级、预紧方式和螺纹摩擦有关。JB/T 10705—2007给出了不同直径螺栓预载荷的参考值[4]。国外风电轴承制造企业也采用“五角星型紧固法”或者 “十字交叉法”分三步以预紧力30%、80%和100%的比例拧紧螺栓，所规定的螺栓预载荷与JB/T 10705—2007提供的参考值相近，差值在±10%左右，主要由扳手的拧紧误差造成。对M30 以上的螺纹规格国内、外一致建议使用液压预紧装置进行紧固。

2.5 调整齿轮啮合间隙

偏航、变桨轴承靠轮齿啮合来传递扭矩，若啮合间隙太小会产生反作用力，加速啮合部位磨损，若啮合间隙太大将导致振动，损坏齿面。因此，在安装螺栓未完全拧紧之前，需用测隙规或塞规在轴承齿轮节圆径向跳动最大点处调节与小齿轮啮合的间隙，轴承齿轮节圆径向跳动最大点一般在齿顶处刷绿色油漆加以标示。根据国外风力发电机的使用经验，将啮合间隙调整为0.03～0.04倍的模数时较为适宜。德国IMO公司列出了常用模数的齿轮啮合间隙，见表3[5]。

表3 啮合间隙

2.6 轴承运转测试

轴承安装完成后，需对轴承进行初次运转测试。先缓慢转动轴承至少3圈，观察轴承的运转是否平稳，有无冲击和卡滞；检查整个圆周上的齿轮啮合间隙值；检查螺栓拧紧力矩。

2.7 磨损量测量

为了保证轴承运转的平稳性，滚动体受力均匀，偏航和变桨轴承多设计为零游隙或者负游隙。设备运行一段时间之后，由于滚道磨损，轴承内部会出现间隙，为了保证轴承良好的运行状态和功能的正常发挥，每隔一段时间需要对其间隙进行检查以确定轴承正常工作时的磨损量。因此，在轴承安装完成后需对其进行测量，以初检数据作为以后测量时的基准。

滚道磨损表现为轴承的轴向位置变动，可通过测量基座固定测点至轴承端面固定测点的距离来确定磨损量，如图2所示。将安装完成的首次测量值作为基准值，3个月以后进行第2次测量，以后磨损量的测量至少每隔12个月进行一次，并应保证与测得基准值相同的测量条件，测值与基准值之差即为轴承的磨损量。若磨损较快，应减小测量的时间间隔。若磨损量超出允许值则需立即更换轴承，表4、表5为国内某轴承企业规定的轴承允许的最大磨损量。表6为德国IMO公司规定的轴承所允许的最大磨损量，表6中虽对单排球轴承与双排球轴承在同一球径下规定的最大磨损量相同，但所规定值明显较国内企业更为严格，在测量过程中该数据可作为判定轴承是否需要更换的指标或警戒点进行参考。

图2 轴承磨损量测量示意图

表4 单排四点接触球轴承最大允许磨损量 mm

表5 双排四点接触球轴承最大允许磨损量 mm

表6 轴承最大允许磨损量 mm

3 轴承的日常维护

3.1 存放与保管

轴承存放与保管的关键是防锈，轴承出厂前其外表面均做有防锈的喷涂处理，然后采用塑料薄膜、牛皮纸、塑料编织带缠绕包装。出厂后的防锈期最长为12个月，如果包装破损或超过防锈期仍需继续存放，则应当重新清洗轴承并对轴承的齿面部分做油封处理。

轴承应在干燥通风而平坦的场地上水平放置，同时应远离化学品及其他带有腐蚀性的物品。如果需要多套轴承叠放在一起时，每套轴承之间沿圆周方向应至少放置3个分布均匀、高度相等的木质垫块，且上、下层垫块的位置应放置一致。

3.2 润滑

润滑是风电类轴承稳定运转时必不可少的一部分，它可使滚动体和滚道之间产生良好的润滑接触，减少摩擦和发热，同时阻隔外界水分、灰尘的侵入。由于脂润滑具有润滑装置简单、不易泄漏、抗腐蚀性好、维护方便等特点，在低速重载轴承中应用较为普遍。偏航和变桨轴承运转速度较慢，同时承受较大的倾覆力矩，因此多采用脂润滑。较常采用的润滑脂有Mobil SHC 460WT，Molycote Longterm 2 Plus，Aeroshell Grease 14等，主机厂家可以根据各自风场的温度、风机的功率、轴承所受载荷来选择合适的润滑脂。

3.2.1 注脂量及周期

偏航、变桨轴承在出厂前，滚道中已经注入了适量的润滑脂，首次注脂量应达到轴承内部空腔体积的60%～70%。再次注脂量和注脂周期根据每个风场的环境、温度、轴承的运行情况，以及所选润滑脂牌号的不同而不同，针对我国目前的情况，注脂量可参考经验公式

式中：G为注脂量；Dpw为球组节圆直径；Dw为球径。

注脂周期方面，在轴承运行的前3个月采取多次定量注脂，如每周一次；运行3个月以后每隔3个月进行一次滚道润滑，或者将计算出的注脂量根据各风场的情况在一年之内平均分配进行润滑；风机长期停用前和重新启用时必须加注足够的润滑脂，若停用更长时间，则需每隔6个月润滑一次。

3.2.2 润滑方式

轴承润滑分为手动润滑和自动润滑两种。手动润滑一般由风场的工作人员定期对轴承进行润滑，易出现单次注脂量大，轴承内部压力过大而使润滑脂顶开密封圈的现象；同时，存在有单个油孔进行注脂的现象，这将大大降低润滑脂的均匀性，导致润滑不均，降低润滑效果。因此，在轴承的维护中建议使用自动润滑，通过轴承圆周均布的多个油孔同时注脂，保证滚道内部润滑脂分布的均匀性，另外，自动润滑的注脂量经过了计算和分配，不易出现过多注脂造成浪费和过少注脂量造成润滑不畅的情况，有效保证了轴承的使用寿命。自动润滑系统多配备有集油装置，通过排油孔收集废旧润滑脂，因此在维护时还应及时清理或更换集油装置。

3.3 安装螺栓的检查

为保证设备运转的安全性，应经常检查螺栓的预紧情况，如果螺栓损坏将引起预紧力减少或圆周其他螺栓的受力不均，不可避免的导致轴承故障。由于偏航和变桨轴承表面带有涂层，应在安装完成一天后对螺栓进行再紧固，在轴承开始运转的前3个月内，应经常检查内圈和外圈安装螺栓的预紧力，以后至少每隔6个月进行一次检查。使用时若出现噪声、冲击等异常现象，应停机拆检，更换松弛和松开的螺栓以及螺帽和垫圈，更换螺栓需使用相同的尺寸和质量等级，同时按照首次安装时的方法和顺序拧紧螺栓。

3.4 密封性检查

轴承运转期间需要至少每6个月检查一次密封，密封边缘必须保持没有污垢，密封条无过度拉伸或破损的现象。

4 结束语

偏航和变桨轴承因其使用场合的特殊性，加上其体积大，重量重，拆装非常的困难，维修的费用非常高。因此，轴承的正确安装以及科学、规律的日常维护就显得尤为重要，按照正确的方法安装加上合理的维护，不但可以提高轴承的使用寿命，更使风机可以长期稳定地运行，降低其维护成本。