风电偏航\变桨轴承寿命试验装置研制

摘要:本文针对风电偏航轴承、变桨轴承的性能特点,按照风机受力载荷谱,模拟风机轴向和径向受力特点进行加载,从而实现对特大型偏航、变桨轴承的寿命和冲击性能进行试验,并由此验证轴承设计和制造是否符合风电场实际应用要求。结果证明,本文采用的试验方法和装置能够有效地模拟轴承实际受力工况,具有较强的创新和实用性,填补国内空白,并在国际上处于相对领先地位。

Abstract: Based on the performance characteristics of bearing wind yaw and pitch bearing,in accordance with the blower forces the load spectrum,the paper describes the simulation fan axial and radial force characteristics of the load,enabling the tests on large yaw,pitch bearings life and impact performance,and thus verify whether the design and manufacture of bearing in accord with wind practical applications. The results show that this test method and device could effectively simulate the actual bearing stress conditions,with a strong creative and practical feature,filling the gaps domestically,and at a relatively leading position internationally.

关键词:偏航;变桨;轴承;寿命试验

Key words: yaw;pitch;bearing;life test

中图分类号:TM61 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)30-0205-02

1风电产业发展概况

随着人类社会与经济的不断发展,环境问题越来越被关注。2009年哥本哈根全球气候大会上,中国政府向全世界郑重承诺:到2020年,单位GDP碳排放量在2005年基础上降低45%左右。

为了达到降低排放的目标,我国正依靠政府和社会全部力量,大力发展包括风力发电在内的清洁可再生能源。根据权威部门统计,2009年我国(不含台湾省)新增风电装机10129台,容量1380万千瓦,年同比增长124%,为世界第一;累计风电装机21581台,容量2581万千瓦,年同比增长114%,为世界第二。根据国家发改委《新能源产业发展规划》草案,到2020年,我国风电装机容量将达到1.5亿千瓦。

在整个风电产业链中,风电场的开发利用主要由国电、华能等五大电力巨头掌控,而风机的制造以华锐、金风、东汽和上海电气等为主,整机技术大多从欧洲引进,国内厂家并不掌握核心技术。在风机关键零部件供应体系中,以发电机、逆变控制器、叶片、增速箱和轴承等最为关键。前几年,这些关键零部件技术和供应均被国外公司所掌控。其高昂的价格和相当长的交货期曾严重影响了我国风电产业的发展。近年来,在我国各级政府和众多企业的共同努力下,有了较为明显的改观。

2特大型轴承性能和寿命试验方法回顾

特大型轴承的试验方法和装置,历来是轴承行业面临的重大课题。一方面特大型轴承应用的场合工况条件比较复杂,很难模拟真实工况。另一方面,特大型轴承试验装置自然比较庞大,加载机构复杂,制造费用巨大。而特大型轴承批量毕竟没有小型轴承那么大。试验台架的通用性有很难满足,稍微变化型号,可能又要重新制作。因此,从经济的角度来说,又不是很理想。因此,从国内外应用案例来看,确实不多,又没有现成的试验方法可以参考。

随着国内风电产业的快速发展,业主提出了对偏航、变桨轴承的台架试验要求。国内主要轴承厂家如瓦轴、洛轴和成都天马等凭着各自的实践经验,自我设计了一套试验装置。但是,由于没能很好的模拟风场较为复杂的工况条件,至今都没能满足客户的要求。由此,在轴承装机并网运行以后,发生故障的概率就很高。一旦风机树起来再吊装下来,其成本就非常高昂,对业主、整机厂和零部件供应商都是极大的经济损失。

3试验基本要素和方法

我们通过分析轴承疲劳载荷谱,以及连续运转下的额定动负荷、当量动负荷与额定寿命,最大接触应力与剪切应力等相关技术要求,拟采用加速寿命试验的方法实现轴承风电偏航、变桨轴承的试验要求。

以1.25MW偏航轴承为例:

3.1 加速疲劳寿命试验(交变加载)

①轴承轴向受力

②轴承受到的倾覆力矩

③试验时间

④轴承回转速度4r/min

基本要求:

轴承在受力的同时,处于旋转状态;

轴承的设计使用年限为20年,要求加速寿命试验,使得其达到轴承使用寿命的试验时间。

总加速疲劳寿命试验时间:44.5h(外圈回转10677r)

3.2 冲击试验(恒值加载)

①轴承轴向受力1500kN

②轴承所受倾覆力矩1500kNm

③试验时间10min

④轴承回转速度10min/r

⑤最大冲击当量载荷2479kN

4试验台架设计

4.1 设计方案确定

根据以上数据,我们综合分析了相互关联因素,针对每个因素的作用和相互影响,逐一妥善解决问题并使结构更加完善得以满足试验要求。

①加载力机构确定

由于试验台的加载力较大,且加载力并非恒值(即交变加载),加载时有大小变化趋势;同时,又要考虑到寿命试验台本身存在使用寿命问题,冲击力不能太大,否则会影响试验轴承的准确数据,也会影响母机各零部件的使用寿命。最后,我们选择用液压油缸来实现载荷的加载作用,基本理由是:液压缸具有工作平稳、作用力大等特性。

②载荷变化的实现

由于加载要求有不断的变化,且有时间上的要求,故首先选用电液比例减压阀控制油压,通过油压来实现加载作用。再者,为了实现加载作用的精准性,我们在加载作用力上加载了拉压力传感器,使得每个加载作用点上都有力的及时反馈和控制。

③试验轴承的回转速度

由于偏航和变桨轴承的大小不同,且试验时所需转速也不同,故需要匹配各种转速的要求。因此,我们采用无级调速的变速装置来实现变速的目的,从而达到准确的转速控制要求。

④系统控制

整个试验台的交变载荷加载、轴承回转速度的控制、交变加载周期和时间长短、加载力的大小等都由PLC控制。另外,通过加载程序后,可实时监测试验台的加载轴向力和扭曲力的大小、运转时间,并且能把每个试验的真实数据全部保存下来,随时可打印出每段试验过程中的实际数据(如运转速度,加载轴承力,扭力矩等)。

4.2 设计计算

①加载力计算

根据上海大学提供的数据,加载最大值为1500kN,最大扭力1500kNm。我们设计了一套液压系统,系统压力为16MPa。该系统提供两路压力油供油压回路,每一个回路都有比例减压阀控制压力变化。

加载油缸大小计算:

加载最大值为1500kN,油缸以一组四个并联加载,每个油缸承受载荷为1500kN/4=375kN。

现设定油缸缸径为200mm,系统压力为16MPa,则油缸最大推力:

F=160(kg/cm2)××π×202=50265kg=493kN

轴向力1500kN,则:

系统压力P==119(kg/cm2)=12(MPa)

故系统压力和油缸缸径完全满足试验台最大加载要求。

②回转速度的计算

根据提供数据,加速疲劳寿命试验最大工件回转速度为4转/分(需减速可调节变频电机频率)确定减速器的减速比:

大齿轮齿数:Z1=138

小齿轮齿数:Z2=17

马达转速:n=1450转/分

故减速器减速比:i===44.7

轴承冲击试验:为了试验轴承的冲击载荷,需要在回转速度较慢的恒转速恒载荷工况下进行测试,转速设定为10分钟/转,故特别选择一个无需变频电机的恒速电机的减速器。

减速比:i==1786.2

③高刚性托台计算

在进行轴承重载试验时,为了尽量减少轴承本身和试验台架的变形量,我们应用了SOLIDWORKS应用软件进行应力变形分析,最终确定了托台结构(图1)。

根据托台受力分析,现将托台高度设计为485mm,变形量控制在0.012mm以内,并制造了试验装置。

5试验数据分析和结论

轴承试验分为冲击试验和加速疲劳寿命试验两种。

5.1 1.25MW偏航轴承冲击试验分析

轴承型号:061.50.2530.000.41.1502.

外型尺寸:2816 ×2359×140

条件转速:10分钟/转轴向力F:1500kN力矩 M:1500kNm当量载荷Pa=1500+1500 2/253=2685.8kN

试验时间:加满载后持续运转10分钟。

轴承试验结果与试验的数据分析如表1。

试验后轴承拆卸,观看轴承滚道,有光亮压痕,无拉毛现象。

从上面数据分析,由上海大学提供的《偏航轴承加速疲劳寿命试验方案研究报告》中的最大冲击载荷的当量载荷为2479kN小于试验轴承的当量载荷2685.8kN。

由此得出试验结论:该轴承在最大冲击承载能力方面满足预定指标要求,轴承试验成功。

5.2 1.25MW偏航轴承加速疲劳寿命试验分析(20年)

轴承型号:061.50.2530.000.41.1502(已经过冲击试验)

外型尺寸:2816 ×2359×140

试验条件:转速4转/分

运转加载时间(连续):44.5小时(外圈10677转)

试验后轴承拆卸,观看轴承滚道,有严重光亮压痕,基本无拉毛现象。

从上面数据分析并由此得出结论:

该轴承的加速疲劳寿命试验方法和装置达到预定指标要求,轴承试验成功。

参考文献:

[1]上海大学机械传动与测控中心.偏航与变桨距轴承加速疲劳寿命试验方案研究报告[R].2007.

[2]梁峰,邹俭波.风电变桨轴承试验机[Z].2007.

[3]Zhiou J L Wu G Q.Tribology Transactions[J].Experimental study of cyclic rolling-contact fatigue of silicon nitride balls,2009(5).