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新型加工工艺及超硬CBN刀具助力风能发电行业风电轴承快速发展

发布日期:2022-01-24 16:25:35

导读:

  风电轴承是一种特殊的轴承,使用环境恶劣,高维修成本,要求高寿命。风力发电机用轴承主要包括:偏航轴承总成、风叶主轴轴承、变速器轴承、发电机轴承等(相关技术文中有提及),轴承的结构形成主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等。其中大型偏航轴承总成和风叶主轴轴承技术难度较大,现在基本依靠进口,是风机国产化的难点之一。风机轴承国产化可提高国内轴承工业的设计应用水平,缩小与国外先进水平的差距,促进国内轴承工业的发展和技术进步,另一方面,可以降低风电成本,加快我国新能源和可再生能源的发展。

风电轴承图片2.jpg

  风电轴承是连接机组中偏航、变桨和传动等系统转向的重要部件,分别对应偏航轴承、变桨轴承和主轴轴承(加工工艺问中提及)。其主要功能是支撑旋转轴或其它运动体,引导转动或移动运动并承受由轴、轴上零件传递而来的载荷,它的精度、性能、寿命和可靠性对主机的使用性能和可靠性起着决定性的作用。

风电轴承图片1.jpg

  可能大家都见过风力发电机的工作环境,空旷无垠的野外工作,恶劣的工况条件,温度、湿度和轴承载荷变化很大,风速最高可达23m/s,有冲击载荷,正是这严酷的条件所以对轴承的密封性能、润滑性能、耐冲击、寿命与可靠性有较高的要求,发电机在2~3级风时就要启动,并能跟踪风向变化,所以轴承结构需要进行特殊设计以保证低摩擦、高灵敏度,大型偏航轴承要求外圈带齿。为了更好实现风机的最佳状态,因此轴承设计、材料、制造、润滑及密封都要进行专门设计,为风电设备的良好运行提供更有力的保障,可以在很大程度上可提高设备性能和可靠性。
  在风电设备系统中维护保养也同样重要。风力发电机通常处在不易进行维护的地方,它们经常被安装在山上、沙漠里或海岸线上。状态监视系统能够协助监视传动系统的性能表现,而可预测性的维修保养能够提高这些系统的性能和可靠性,提高设备的有效运行时间。如通过振动分析、油液分析和红外热成像等手段监测设备状态,以判定最佳维修时机的维修流程;通过预测性维修手段可提高设备的运行可靠性,且仅在设备需要维修的时候进行维修,减少过度维修,降低维修成本。
1、风机轴承的加工工艺
1.1 变桨轴承:
  内圈——粗车→调质→半精车→沟道软磨→沟道淬火→精车,粗磨→孔加工,齿轮加工→齿轮淬火→终磨,精磨;
  外圈——粗车→调质→半精车→沟道软磨→沟道淬火→精车,粗磨→孔加工→终磨,精磨。
1.2 偏航轴承:
  内圈——粗车→调质→半精车→沟道软磨→沟道淬火→精车,粗磨→孔加工→终磨,精磨;
  外圈——粗车→调质→半精车→沟道软磨→沟道淬火→精车,粗磨→孔加工,齿轮加工→齿轮淬火→终磨,精磨。
2、风机轴承的技术
2.1 偏航轴承总成
  偏航轴承总成是风机及时追踪风向变化的保证。风机开始偏转时,偏航加速度E将产生冲击力矩M=IE(I为机舱惯量)。偏航转速d越高,产生的加速度6也越大。由于I非常大,这样使本来就很大的冲击力成倍增加。另外,风机如果在运转过程中偏转,偏航齿轮上将承受相当大的陀螺力矩,容易造成偏航轴承的疲劳失效。
  根据风机轴承的受力特点,偏航轴承采用"零游隙"设计的四点接触球轴承,沟道进行特别设计及加工,可以承受大的轴向载荷和力矩载荷。偏航齿轮要选择合适的材料、模数、齿面轮廓和硬度,以保证和主动齿轮之间寿命的匹配。同时,要采取有针对性的热处理措施,提高齿面强度,使轴承具有良好的耐磨性和耐冲击性。
  风机暴露在野外,因此对该轴承的密封性能有着严格的要求,必须对轴承的密封型式进行优化设计,对轴承的密封性能进行模拟试验研究,保证轴承寿命和风机寿命相同。风机装在40m的高空,装拆费用昂贵,因此必须有非常高的可靠性,一般要求20年寿命,再加上该轴承结构复杂,因此在装机试验之前必须进行计算机模拟试验,以确保轴承设计参数无误。
2.2 风叶主轴轴承
  风叶主轴由两个调心滚子轴承支承。由于风叶主轴承受的载荷非常大,而且轴很长,容易变形,因此,要求轴承必须有良好的调心性能。确定轴承内部结构参数和保持架的结构形式,使轴承具有良好的性能和长寿命。
2.3 变速器轴承
  变速器中的轴承种类很多,主要是靠变速箱中的齿轮油润滑。润滑油中金属颗粒比较多,使轴承寿命大大缩短,因此需采用特殊的热处理工艺,使滚道表面存在压应力,降低滚道对颗粒杂质的敏感程度,提高轴承寿命。同时根据轴承的工况条件,对轴承结构进行再优化设计,改进轴承加工工艺方法,进一步提高轴承的性能指标。
2.4 发电机轴承
  发电机轴承采用圆柱滚子轴承和深沟球轴承。通过对这两种轴承的结构设计、加工工艺方法改进、生产过程清洁度控制及相关组件的优选来降低轴承振动的噪声,使轴承具有良好的低噪声性能。

3、风电轴承的制造材料
  不同部位的轴承采用不同的材料及热处理,如提高偏航和变桨轴承用40CrMo钢的低温(环境温度-40℃∽-30℃,轴承工作温度在-20℃左右)冲击功等力学性能的热处理方法,表面感应淬火的淬硬层深度、表面硬度、软带宽度和表面裂纹的控制;增速器轴承用相当于国外STF、HTF钢的研制及控制其残余奥氏体最佳含量的研究;主轴轴承在国产真空脱气钢质量尚存在一定差距的情况下,采用电渣重熔渗碳钢G20Cr2Ni4A制造等。

4、硬车加工部位及相关材质与刀具的选择
  回转支承轴承、风电轴承属于大型轴承,直径基本都在1米以上,甚至近3米,在经过热处理后都或多或少的存在变形问题,再加上自身硬度HRC55以上,这给硬车刀具--PCBN刀具带来很大的挑战。
  风电轴承、回转支承轴承硬车部位主要是外滚道、内滚道、挡边位置,常见材质有华菱研发的BN-H200,刀片型号如RNMN090300,RCGX120700,RNMN120700都比较常见,主要以圆形刀片为主,RCMX系列,RCGW系列,RNGN系列,RCGO系列,单面整体复合PCBN刀具,圆形单面复合打孔PCBN刀具,整体聚晶PCBN刀具均可定制,不仅切削余量大,而且能承受断续切削,可有效满足厂家降本增效的需求。

5、华菱BN-H200有何优势
  BN-H200主要用于大型回转支承轴承、风电轴承领域,目前市场占有率达到60%以上。BN-H200材质耐磨性和抗冲击韧性兼优,粗加工时可大余量切削,断续工况不崩刀,精加工时可获得Ra1.6以内的粗糙度和尺寸精度,可干切亦可湿切,风冷等方式,切削性能极其稳定,可优势替代进口刀具和同质PCBN刀具。

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