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風機齒輪箱軸承常見失效模式及解決方案
2011-03-28
作者：劉溯 高級應用工程師
（鐵姆肯公司）
（鐵姆肯公司）
1 引言
風機齒輪箱是連接風機主軸和發電機的傳動部件，其將主軸的低轉速的輸入轉化成中速或高速發電機所需的輸出，是風機中的重要部件之一。由于風機齒輪箱的復雜工況及對可靠性等方面的高要求，風機齒輪箱的設計及應用，尤其是其中作為關鍵零件的軸承的選型、安裝及使用顯得尤為重要。不恰當的軸承選型或是不當的安裝和使用，會導致軸承的各種損傷和失效模式，甚至還可能會損傷到齒輪箱里其他的零部件。這些損傷和失效都會直接或間接的導致風機停機，不但影響生產率，還會產生計劃外的更換和維護成本。鐵姆肯公司可針對多種常見失效模式提供有效解決方案。
風機齒輪箱是連接風機主軸和發電機的傳動部件，其將主軸的低轉速的輸入轉化成中速或高速發電機所需的輸出，是風機中的重要部件之一。由于風機齒輪箱的復雜工況及對可靠性等方面的高要求，風機齒輪箱的設計及應用，尤其是其中作為關鍵零件的軸承的選型、安裝及使用顯得尤為重要。不恰當的軸承選型或是不當的安裝和使用，會導致軸承的各種損傷和失效模式，甚至還可能會損傷到齒輪箱里其他的零部件。這些損傷和失效都會直接或間接的導致風機停機，不但影響生產率，還會產生計劃外的更換和維護成本。鐵姆肯公司可針對多種常見失效模式提供有效解決方案。
2 風機齒輪箱軸承常見失效模式及解決方案
風機齒輪箱設計多種多樣，但是基本上都是由行星級和平行級組成。本文以目前比較常見的一種以行星架為輸入，內齒圈固定，太陽輪輸出并傳遞到平行級的設計為例，分析說明常見的軸承失效模式及相應的解決方案。
2.1 行星架軸承
2.1.1 常見失效模式
行星架軸承的選型和應用是和主軸的設計相關的。目前常見的行星架軸承是滿裝滾子的圓柱滾子軸承。如果主軸軸承選用調心滾子軸承，不論是單個調心滾子主軸軸承的3點支承設計還是兩個調心滾子主軸軸承的4點支承設計，由于調心滾子軸承徑向和軸向游隙的存在（如圖1所示），當風機在剎車或是其他出現軸向載荷交替變換方向的工況時，主軸及其后面連接的行星架在軸向可能會有竄動。此時如果使用圓柱滾子軸承作為行星架軸承，由于其內外圈在軸向方向上有一定的相對錯位空間，因此來自主軸的軸向竄動會傳遞到行星架的圓柱滾子軸承，而如果竄動量足夠大，則對圓柱滾子軸承會造成沖擊。而且，由于內齒圈和齒輪箱箱體是連成一體的，所以行星輪和行星架一起軸向竄動還會對行星輪造成齒面磨損（如圖2所示）。
風機齒輪箱設計多種多樣，但是基本上都是由行星級和平行級組成。本文以目前比較常見的一種以行星架為輸入，內齒圈固定，太陽輪輸出并傳遞到平行級的設計為例，分析說明常見的軸承失效模式及相應的解決方案。
2.1 行星架軸承
2.1.1 常見失效模式
行星架軸承的選型和應用是和主軸的設計相關的。目前常見的行星架軸承是滿裝滾子的圓柱滾子軸承。如果主軸軸承選用調心滾子軸承，不論是單個調心滾子主軸軸承的3點支承設計還是兩個調心滾子主軸軸承的4點支承設計，由于調心滾子軸承徑向和軸向游隙的存在（如圖1所示），當風機在剎車或是其他出現軸向載荷交替變換方向的工況時，主軸及其后面連接的行星架在軸向可能會有竄動。此時如果使用圓柱滾子軸承作為行星架軸承，由于其內外圈在軸向方向上有一定的相對錯位空間，因此來自主軸的軸向竄動會傳遞到行星架的圓柱滾子軸承，而如果竄動量足夠大，則對圓柱滾子軸承會造成沖擊。而且，由于內齒圈和齒輪箱箱體是連成一體的，所以行星輪和行星架一起軸向竄動還會對行星輪造成齒面磨損（如圖2所示）。
圖1 主軸軸承 - 調心滾子軸承及游隙
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圖2 主軸軸向竄動對行星輪及行星架軸承的影響
2.1.2 解決方案
鐵姆肯公司推薦選用單列圓錐滾子軸承跨裝，通過對圓錐滾子軸承預緊來解決主軸軸向竄動對行星輪的影響。而且預緊的圓錐滾子軸承的承載區得到優化，減少了滾道應力，提高了行星輪系的剛性，并可以承受外部傳遞入齒輪箱行星架端的額外軸向力（如圖3所示）。
鐵姆肯公司推薦選用單列圓錐滾子軸承跨裝，通過對圓錐滾子軸承預緊來解決主軸軸向竄動對行星輪的影響。而且預緊的圓錐滾子軸承的承載區得到優化，減少了滾道應力，提高了行星輪系的剛性，并可以承受外部傳遞入齒輪箱行星架端的額外軸向力（如圖3所示）。
圖3 行星架的預緊圓錐滾子軸承
2.2 行星輪軸承
2.2.1 常見失效模式
常見的一種行星輪軸承是由一對雙列圓柱滾子軸承組成（如圖4所示）。在軸承外圈和行星輪內孔之間過盈配合量不足或是由于齒輪變形而使兩者接觸面積減少的情況下，會出現外圈跑圈和磨損。
對于斜齒行星輪設計而言，由于行星輪與內齒圈和太陽輪同時嚙合的時候受到大小相同、方向相反的軸向力，所產生的傾覆力矩使得外側的兩列滾子承載較大，中間兩列滾子承載較小。四列滾子之間的載荷分布不均勻使得實際使用壽命有一定差別，在相同設計壽命的前提下，外側兩列會提前出現疲勞剝落。
2.2.1 常見失效模式
常見的一種行星輪軸承是由一對雙列圓柱滾子軸承組成（如圖4所示）。在軸承外圈和行星輪內孔之間過盈配合量不足或是由于齒輪變形而使兩者接觸面積減少的情況下，會出現外圈跑圈和磨損。
對于斜齒行星輪設計而言，由于行星輪與內齒圈和太陽輪同時嚙合的時候受到大小相同、方向相反的軸向力，所產生的傾覆力矩使得外側的兩列滾子承載較大，中間兩列滾子承載較小。四列滾子之間的載荷分布不均勻使得實際使用壽命有一定差別，在相同設計壽命的前提下，外側兩列會提前出現疲勞剝落。
圖4 行星輪 – 四列圓柱滾子軸承
圖5 Timken®集成式柔性銷組件
圖5 Timken®集成式柔性銷組件
2.2.2 解決方案
Timken®集成式柔性銷行星輪組件（如圖5所示）是提高行星級可靠性的Z佳方案之一。齒輪和軸承外圈集成于一體，杜絕了外圈跑圈的可能性，同時有更多的內部空間設計更多、更大的滾子來提高承載能力。通過預緊兩列圓錐滾子使其承載區得到優化，降低了應力和滾子打滑的幾率，使載荷更均勻的分布在兩列。柔性銷設計允許行星輪組件在運行中產生柔性的偏移，保證齒面有很高的嚙合率，特別是對多個行星輪的設計，使得各行星輪之間的載荷分布更均勻，而且還可以降低加工和裝配的精度要求。
Timken®集成式柔性銷行星輪組件（如圖5所示）是提高行星級可靠性的Z佳方案之一。齒輪和軸承外圈集成于一體，杜絕了外圈跑圈的可能性，同時有更多的內部空間設計更多、更大的滾子來提高承載能力。通過預緊兩列圓錐滾子使其承載區得到優化，降低了應力和滾子打滑的幾率，使載荷更均勻的分布在兩列。柔性銷設計允許行星輪組件在運行中產生柔性的偏移，保證齒面有很高的嚙合率，特別是對多個行星輪的設計，使得各行星輪之間的載荷分布更均勻，而且還可以降低加工和裝配的精度要求。
2.3 高速軸軸承
2.3.1 常見失效模式
圓柱滾子軸承及四點接觸球軸承組合在高速級的應用中是較為常見的一種。在高速和低載的情況下，圓柱滾子軸承容易出現滾子打滑和滾道滑傷，而球軸承可能會出現滑傷和微剝落的損傷。
2.3.2 解決方案
鐵姆肯公司提出帶抗磨涂層的圓柱滾子軸承和單列圓錐滾子定位軸承（如圖6所示）。帶抗磨涂層的圓柱滾子軸承在整個壽命周期的運行中既能持續地防止滑傷，也可以防止由于潤滑劑里含雜質而造成滾道傷害以及潤滑不良的情況。單列圓錐滾子定位軸承可以承受徑向及雙向的軸向載荷，其純滾動的特性將滑傷的可能性降至Z小。
2.3.1 常見失效模式
圓柱滾子軸承及四點接觸球軸承組合在高速級的應用中是較為常見的一種。在高速和低載的情況下，圓柱滾子軸承容易出現滾子打滑和滾道滑傷，而球軸承可能會出現滑傷和微剝落的損傷。
2.3.2 解決方案
鐵姆肯公司提出帶抗磨涂層的圓柱滾子軸承和單列圓錐滾子定位軸承（如圖6所示）。帶抗磨涂層的圓柱滾子軸承在整個壽命周期的運行中既能持續地防止滑傷，也可以防止由于潤滑劑里含雜質而造成滾道傷害以及潤滑不良的情況。單列圓錐滾子定位軸承可以承受徑向及雙向的軸向載荷，其純滾動的特性將滑傷的可能性降至Z小。
圖6 高速軸軸承解決方案
3 總結
隨著風力發電裝備行業的迅猛發展，特別是大功率風機日趨主流，風機及零部件的可靠性將是研發中關注的重點。本文介紹的齒輪箱軸承常見失效模式及其解決方案，旨在幫助設備制造商選取更適合風機齒輪箱應用的軸承解決方案，力求不斷優化齒輪箱的設計，使齒輪箱乃至整機的可靠性得到大幅的提升。
隨著風力發電裝備行業的迅猛發展，特別是大功率風機日趨主流，風機及零部件的可靠性將是研發中關注的重點。本文介紹的齒輪箱軸承常見失效模式及其解決方案，旨在幫助設備制造商選取更適合風機齒輪箱應用的軸承解決方案，力求不斷優化齒輪箱的設計，使齒輪箱乃至整機的可靠性得到大幅的提升。
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