风电机组主轴及轴承座装配工艺质量控制

黄彦杰

摘要：装配是制造过程的最后一个阶段，也是决定产品质量的关键环节之一。对于不同的产品，装配过程不同，装配精度和装配质量也不同。因此，有必要安排合理的装配工艺。本文主要针对风力发电机组主轴和轴承座装置的装配过程，详细阐述了如何合理装配，以有效控制其装配质量。

关键词：组装;工艺质量控制

引言

装配是机械制造和维修中的重要工艺环节。它是根据严格的标准和流程，使用适当的工具和机器，对合格的零部件进行必要的协调和连接的过程。装配技术是机电产品开发和生产的重要环节。装配工艺的质量直接决定着最终产品的质量。装配不是合格零件的简单组合。

高质量的零件和低质量的组装也可能生产低质量的产品;高质量组装可以在低精度零部件的基础上组装高质量的产品。因此，在研究我单位风电机组主轴和轴承座的装配时，综合多种装配工艺，制定出适合我单位的合理装配工艺，对提高产品质量具有重要意义。

1主轴轴承类型

在风力涡轮机运行过程中，主轴轴承承受来自叶轮的推力和弯矩等交变载荷以及叶轮本身的重力载荷，并将复杂的气动载荷过滤为发电机的纯扭矩输出。目前，风力发电机组主要采用承载能力大的滚柱轴承。

1.1调心滚子轴承

调心滚子轴承由带球面滚道的外圈、双滚道内圈、保持架和双列球面滚子组成。由于外圈球面滚道中心与轴承中心一致，具有对中性能，能在一定范围内自动调整主轴与轴承座的制造装配误差和轴的挠度引起的倾斜。该轴承能承受较大的径向载荷和双向轴向载荷，适用于风力机传动链低速端的支撑。

采用带两件式调心滚子轴承的两点支承传动链。前轴承作为游动端，只承受径向力，后轴承作为固定端，同时承受径向力和轴向力。这种布置有一个稍长的轴系和一个稍重的传动链，但确保了齿轮箱有一个良好的应力环境，并提高了装置的可靠性。

1.2圆锥滚子轴承

圆锥滚子轴承的内圈和外圈都有锥形滚道，滚子也是锥形的。圆锥延伸，其顶点与轴承轴上的一点相交。因此，轧辊可以在滚道上实现纯滚动。圆锥滚子轴承是一种独立的轴承。轴承的内圈（滚子、保持架和内圈）和外圈可以方便地分离和安装。

在单点支承的传动链中，通常使用O形排列的双列圆锥滚子轴承作为支承。轴承外圈与机架直接连接，内圈过盈装配在主轴上，风轮载荷通过轴承传递给机架。该装置结构紧凑，传动链刚性好，但轴承成本高，多用于大型风力发电机组。

1.3圆柱滚子轴承

圆柱滚子轴承是一种独立的轴承，安装拆卸方便，能承受较大的径向载荷。这种轴承允许内圈轴和外圈轴之间的角度误差非常小，并且对轴和轴承座的加工精度和刚度有很高的要求。否则，很容易在滚道的接触部分产生不均匀的载荷或应力集中。对滚子或滚道的接触母线进行改造后，可以减少应力集中的发生。

圆柱滚子轴承不能承受轴向载荷，通常与X型双列圆锥滚子轴承结合使用。为了满足轴承运行精度的要求，前后轴承座整体设计制造。这种排列方式对加工、制造和装配精度有很高的要求。

2主轴轴承多刚体动力学模型的建立

2.1主轴轴承动力学模型的生成

用UG对230/670CA/W33的调心滚子轴承进行建模，以X_T格式导入Adams。模型导入后，设置系统单位为MMKS，设置重力加速度，将内圈、外圈、保持架分别命名，将滚子进行编号，最后设置调心滚子轴承的材料属性。

2.2约束的添加

Adams/View中通过在各个构件之间添加不同的约束模拟现实中的运动关系。根据风电机组主轴轴承实际运行条件，设置外圈固定，内圈旋转，滚子与内外圈及保持架之间添加接触。

2.3接触力的定义

滚子与内外圈及保持架之间为接触约束，Adams对零部件间的接触力定义为零部件间的碰撞力。AdamS中计算碰撞力的方法有两种：一是恢复系数法;二是冲击函数法。本文要得到比较准确的碰撞力，因此选用冲击函数法。接触力分为两部分：正压力和摩擦力。正压力用impact函数法进行计算，摩擦力用coulomb法进行计算。

impact函数的表达式为

δ≤δ0（7）

δ>δ0

式中，K为刚度系数;δ0为两碰撞物体间初始距离;δ为实际碰撞过程中的实际距离;Cmax为最大阻尼系数;e为碰撞指数;d为刺入深度。

2.4碰撞参数的设定

由Adams冲击函数定义可知，求解碰撞力需要确定刚度系数K、最大阻尼系数Cmax、碰撞指数e、阻尼系数达到最大值时的刺入深度d。

2.4.1刚度系数K

调心滚子轴承属于线接触，由赫兹接触理论得

Kj=7.86×104l8/9（N·mm-10/9）式中，l为滚子有效长度。

2.4.2碰撞指数e

碰撞指数e反映材料的非线性程度，对于金属其推荐值为1.3～1.5。

2.4.3最大阻尼系数Cmax

最大阻尼系数Cmax表示碰撞的能量损失，通常设为刚度系数K的0.1%～1%。

3与轴承座间的配合对轴承的影响

调心滚子主轴轴承外圈为静止套圈，受局部载荷，一般采用間隙配合，允许外圈在载荷作用下产生微量的圆周滑动，以缓慢改变其承载区域，使套圈滚道表面圆周方向均匀受力。轴承运转时，由于摩擦，外圈温度高于轴承座，两者间由于材料线膨胀系数的不同及温差的影响而使间隙值发生变化。轴承与轴承座之间的配合应保证不会在轴承运行过程中产生过大的热胀应力，由温差引起的两者间隙值变化量可由下式估算：

ΔST=（0.1～0.15）ΔTαd.式中：ΔST为温差引起的间隙值变化量，mm;ΔT为外圈与环境温差，℃;α为线膨胀系数。轴承钢线膨胀系数约为12.5×10-6/℃;d为轴承外径，mm。

4结语

不同轴承类型的传动方案各有优缺点，可根据机组实际运行条件及经济性评价选择配置。对两点支撑式传动链调心滚子主轴轴承的静力学分析、轴承选型计算、轴承与周边结构件的匹配设计进行研究，可为风力发电机组传动系统的设计提供参考。

参考文献

[1]洛阳轴研科技股份有限公司.全国滚动轴承产品样本：第2版[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]杨校生.风力发电技术与风电场工程[M].北京：化学工业出版社，2011.