专题
Subject
编辑 徐航
[摘要]基于目前风电主轴中采用调心滚子轴承的布置形式，结合常见的调心
滚子轴承内部结构特点，分析比较在相同的风力载荷作用下不同结构的定位端调
心滚子轴承内部承载和接触应力分布情况，综合接触应力和相对滑动速度的影响
因素分析了轴承内部的磨损情况。针对风电主轴定位端的调心滚子轴承常见的早
期磨损失效模式提出了预防和改善措施。
[关键词] 风电主轴承 调心滚子轴承 早期磨损失效 滚子修型 润滑文／黄春亮唐瑜宋欣
调心滚子轴承由于承载能力高，且可以补偿因加工、安装以及轴或座的变形引起的同轴度误差，而被广
泛应用于风电主轴的支撑结构中，作为一种经济实用的风电主轴承布置方案。但在某些风力载荷作用下，定位端调心滚子轴承所承受的轴向力可以数倍于径向力，此时双列的调心滚子轴承只有一列滚子承载，另一列滚子处于空载打滑中，而承载的一列可能会出现应力分布不均、边缘应力、轴向窜动大、温升高、磨损加剧、早期疲劳剥落等问题。
一、调心滚子轴承在风电主轴中的布置形式
胶衣树脂在目前已装机的风力发电机中，约有70%～80%采用主轴轴承
支撑原理，也就是主轴承的内圈安
装在旋转的主轴上。根据主轴支撑
点的个数，主轴轴承的布置形式分负离子灯
为两点支撑和三点支撑。调心滚子
轴承目前常见于双馈风电机组的主
轴支撑应用中，这是由于双馈机组
传动系统一般包括轮毂、主轴、主
轴承、齿轮箱、发电机等，其传动
链较长，需要考虑各部件温升导致
的尺寸膨胀，以及制造、装配过程
中的不对中对系统的影响。
1. 两点支撑布置形式
采用定位端/浮动端轴承支撑的
两点支撑形式是最典型的一种布置
形式，如图1所示。轴承被安装在
两个独立或一个共同的轴承座内，
飞羽辅助
轮毂侧或齿轮箱侧轴承都可以设计
为定位端轴承。当采用独立轴承座
的结构时，轴承位置处轴的角位移
铁盒制作
动较大，为了补偿主轴和轴承座的
不对称，必须采用调心滚子轴承。
如果将定位端轴承放在轮毂侧，其
径向力和轴向力的比例更为适合，
但主轴的结构会导致定位端轴承的
解决方案直径较大，且由于温升的
影响，主轴的热膨胀会对齿轮箱轴
承有一定的冲击。而将定位端轴承
放在齿轮箱侧时，传递轴向载荷的
轴肩的位置在主轴应力方面表现得
包装密封性测试更为有利。
2. 三点支撑布置形式
三点支撑布置形式中的定位端
轴承一般置于齿轮箱外，而另外
两个支撑点是齿轮箱内的转矩支
撑轴承，作为浮动端轴承，如图2
【DOI】10.ki.10-1214/t.2019.03.004
58《 质量与认证》2019·3
《质量与认证》2019 ·3 59
所示。定位端轴承常采用独立的轴承座，需能够补偿相对于齿轮箱输入轴的浮动端轴承的同轴度以及
轴的偏移量，必须采用调心滚子轴承。另外，要在安装时确保定位端轴承位置和浮动端轴承位置之间的正确距离，确保轴向力作用在定位端轴承上。采用三点支撑，齿轮箱内的转矩支撑轴承作为两个支撑点也需要承受风力载荷，需要考虑主轴的振动、热膨胀、轴向窜动等其他因素对齿轮箱的影响。
3.定位端调心滚子轴承受力分析和失效模式
当风机使用主轴轴承支撑结构时，如果采用独立的轴承座，几乎所有的结构都毫无例外地使用了调心滚子轴承。调心滚子轴承作为定位端轴承时，需要同时承受径向力和轴向力，如果轴向力和径向力的比值大于轴承的系数e ，这对调心滚子轴承来说相对不利，此时需要保证轴承充分的润滑——合适的润滑剂和有效的添加剂、足够的润滑量和再润滑，以避免轴承非承载列的打滑损伤和承载列的早期磨损。
调心滚子轴承目前有多种内部结构设计，但应用在风电主轴承
上常见于两种结构形式：带固定中挡边的B 型设计，如图3和带浮动中隔环的BEA 型设计，如图4，对于内径尺寸大于360mm 的调心滚子轴承通常采用机加工黄铜保持架。B 型设计采用对称的球面滚子，由固定的中挡边引导，导向准确，轴承轴向刚度较高，但在轴向力比例较大的工况下，会导致滚子载荷分布不均匀，并出现边缘应力。BEA 型设计也采用对称的球面滚子，但使用活动的中挡圈可以自由地轴向移动，使对称的滚子始终处于受力平衡状态，滚子表面的接触应力可以对称分布，不易出
现边缘应力集中
现象，但在单列承载的工况下，浮动中挡圈不能可靠地保持其位置，导向性变差，容易引起滚子的歪斜，从而导致内部摩擦加
剧，轴承早期磨损。鉴于上述原因，舍弗勒集团开发了一种B E B 的结构，如图5所示。该设计采用了固定的中挡边，以增加轴承轴向刚度和滚子的准确引导性，并采用修型的对称滚子，以消除单列承载时容易出现的边缘应力。
以某公司1.5MW 风机为例，其主轴采用了两点支撑布置形式，轮毂侧使用239/670轴承作为浮动端，齿轮箱侧使用240/530轴承作为定位端。针对定位端轴承240/530，在某一载荷工况下轴承单列承载，如图6所示。作用在轴承上的轴向力与径向力之比为5倍于轴承系数e 值，当量动载荷为0.22倍的轴承额定动载荷，上述
三种类型的调心滚子轴承沿滚子方向的Hertz 接触应力，如图7所示。可见在单列承载的工况下，B 型设计的Hertz 接触应力分布不均匀，并有边缘应力产生，BEA 型设计的Hertz 接触应力对称分布，而BEB 型设计消除了边缘应力，但滚子两侧Hertz 接触应力呈不对称分布。
根据文献，材料的磨损与（p ×v ）因子成反比，其中p 为接触副的法向压力，v 为两接触副的相对滑
动速度。可以使用轴承动力学仿真分析软件CABA 3D ®分析三种类型结构的调心滚子轴承在单列承载时（p ×v ）因子沿滚子轴向的分布，如图9所示，调心滚子轴承承载时沿滚子轴向只有两点为纯滚动，此处的p ×v 接近于零，其他区域均有微观的相对滑动。轴承单列承载时，B
型结构
图1 两点支撑布置形式
图2
三点支撑布置形式
图3 带固定中挡边的B 型设计
图4 带浮动中挡圈的BEA 型设计图5 FAG 的BEB 型设计（NOTOS ）
60 《 质量与认证》2019·3
专题
Subject
编辑 徐航
轴承在靠近轴承端面侧p ×v 值逐渐升高，BEA 型结构轴承在靠近中隔圈侧p ×v 值逐渐升高，BEB 型结构轴承滚子两侧p ×v 值没有明显升高的趋势。这在实际的应用中也可以得以验证，图8显示了某1.5MW 风机主轴定位端调心滚子轴承240/530采用B 型结构和BEA 型结构的失效模式：两种结构都是非承载列滚道完好，而承载列磨损严重并有材料剥落，B 型结构磨损主要发生在靠近轴承端面侧滚道，而BEA 型结构磨损主要发生在靠近中挡边侧。
另外，调心滚子轴承一般需要在正的工作游隙下运行，根据接触角的大小，其轴向游隙可能4~6倍于径向游隙，过大的轴向游隙会导致轴系刚度不好，轴向窜动量大，轴承承载区减小等问题。除
此之外，轴向游隙还会影响定位端调心滚子轴承的调心能力，因为在轴向力的作用下，轴向游隙首先被消除，轴承内圈会被推向一侧，滚子的有效接触长度边缘到外圈滚道边缘的距离减小，在此基础上轴承允许的调心角也相应减小，所以在单列承载的工况下，需要考虑轴承调心能力的变化，避免安装后角度偏差过大，轴承赫兹接椭圆超出滚道边缘，产生边缘应力，内部异常磨损等问题。
二、预防措施
选择合适的主轴承布置形式可以有效地避免轴承的失效风险，对于调心滚子轴承用作定位端轴
承，需要考虑作用在轴承上的轴向力和径向力比例，比如将定位端放在轮毂侧，浮动端放在齿轮箱侧，
也可以考虑三点支撑布置形式；轴承在装配过程中，需要控制制造和装配误差，避免轴承内外圈角度偏差超出允许值；在单列承载的工况需保证合适的润滑条件。
通过以下特殊设计，可以改善轴承适用特性，避免或有效降低定位端轴承失效风险。
（1）采用修型的滚子避免边缘应力产生，改善滚子、滚道表面加工质量，以优化接触应力均匀分布，降低轴承内部摩擦。
（2）采用固定中挡边保证滚子的准确引导，并能提高定位
端轴承轴向刚度，降低传动链的
轴向位移。（3）减小轴承初始游隙范围以优化轴承运行游隙，降低接触应力和传动链的轴向窜动，并可改善单列承载时的调心能力。
（4）定位端调心滚子两列滚道采用非对称接触角设计，主要承受轴向力的一列滚道可采用稍大的接触角，以提高其轴向承载能力。
（5）轴承使用特殊的耐磨涂层，比如滚子采用T r i o n d u r
C ®涂层，其表面硬度可到1100~1500HV ，可以有效降低在混合润滑和边界润滑的条件下承
载列发生粘着磨损和非承载列发生打滑擦伤的风险，适用于风电主轴承低速重载，弹流润滑油膜难以形成的工况
。
瞄准器图
6 单列承载时轴承内部载荷分布
图7 沿滚子轴向的
Hertz 接触应力 图8 轴承内圈滚道失效模式
图9 轴向载荷下沿滚子轴向的p ×v 值分布和滚道磨损情况
