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风电齿轮箱轴承的优化设计
2009-08-03 来源:《MM现代制造》 作者:《MM现代制造》

        近几年,全球对风能产品的开发需求持续高涨,作为知名轴承供应商,铁姆肯公司在风能领域有着丰富的研发经验,可为风能行业提供全方位的动力传动和摩擦管理解决方案。除主要的轴承产品外,铁姆肯公司还提供动力传动部件、合金钢、润滑产品、其他有关工业产品和后继服务等。

         铁姆肯公司设计并制造风能应用所需要的各种类型的轴承及相关产品,包括:标准圆锥、调心滚子轴承和圆柱滚子轴承;固定端圆锥滚子轴承;大尺寸、封闭联结式圆锥滚子轴承;带座轴承;精度切割轴承固定器等等。TIMKEN还可为用户提供风电动力传动和齿轮产品,包括:Planet-Pac Bearing(即集成行星齿轮轴承组件)和Flexpin行星齿轮系统。

         在风能领域,铁姆肯公司设计生产的Planet-Pac Bearing(即集成行星齿轮轴承组件)被普遍应用。一个传统的行星轮通常将轴承外圈压入齿轮而内圈则装在销子上,这样滚道就占据了径向空间从而减小了齿轮和销子的挠度及剪切应力。设计齿轮所遇到挑战就是尽可能缩小齿轮和销子的截面积来减少成本,尽可能保持结构性能,并尽可能大的为轴承提供空间。Planet-Pac采用内圈和行星轮销子为一体、外圈和行星齿轮为一体的方案排除了设计上的困难选择。优化了的Planet-Pac的精髓在于允许设计师在小直径齿轮设计上使用较厚齿轮截面的同时,还能为大直径的滚动体创建较大的径向空间来增加轴承的负载和寿命L10。研究认为,增加轮缘与齿轮模数的比率时,将减小销子在关键弯剪部位的应力,可提高轴承L10寿命达两倍。Planet-Pac是一种改善传统行星齿轮系统功率密度的理想选择。
集成行星齿轮轴承组件的特点如下:以预调节、一体化的圆锥滚子轴承为主,将行星齿轮、轴承和轴集成,其应用范围很广,可以用在齿轮齿面应用工程处理技术和行星齿轮驱动中。
 
        铁姆肯公司设计的另一项广泛应用于风电行业的产品——Integrated Flexpin Bearing(IFB,即柔性销摆线齿轮箱轴承)建立在双悬臂轴的理论上,是从单壁行星轮支架扩展而来的。这种结构提供了行星轮的圆周运转,以确保每个行星齿轮受载的一致性(测试显示7套行星轮的K-伽马在所有负载水平都接近一致)。重要的是,单壁支架结构实际上消除了齿轮由于扭转带来的倾斜问题。这就意味着齿轮及轴承上单位负载减小了,这是由于使用了多个行星轮,改善了K-伽马及,并消除了由扭转带来的偏心。此外,IFB 集成了轴承滚道、行星齿轮及轴套,允许径向空间有更多的轴承滚动体。轴承在出厂时会设置较精确的预应力,以保证每个IFB弹性比率能在行星轮内保持一致性。IFB 代表了行星齿轮系统设计在当今科技发展的水平。这种适应性很强的结构为减少齿轮的重量和平衡所有系统部件的可靠性提供了更大的可能。
该柔性销摆线齿轮箱轴承产品采用专利设计,可为行星架提供可控的柔性,精密圆锥轴承带预载荷,并能提高系统的性能和疲劳寿命,可应用于风力发电和其他摆线动力传输中。
 
       轴承是风电齿轮箱的重要组成部分,优化轴承性能是提高风电齿轮箱高可靠性、保证其正常运行的重要措施。为了进一步提高风电轴承安全性和长寿命运行,铁姆肯公司在以下两个方面做出了改进。首先,特殊表面处理是铁姆肯公司在技术方面的一大突破。铁姆肯公司对轴承滚子和其它表面之间相互接触的区域采取特殊表面涂层和抛光,以延长轴承的疲劳寿命,加强其防腐性能,提高速度性能,并降低摩擦。其次,轴承滚道需要长期在润滑剂的包覆中运行,而润滑剂常常被齿轮或其它零部件所产生的大颗粒异物污染。这些大颗粒在轴承滚道上留下刻痕,导致标准轴承的疲劳寿命缩短。为了解决这类问题,铁姆肯公司开发了专用轴承,能抵御这些影响,保持齿轮箱的可靠性。
另外,为了更好地掌握风机轴承的使用寿命,通过对上千个轴承的测试,铁姆肯公司开发出了计算轴承使用寿命的独特方法,称为“Syber轴承系统分析”。通过对该高端软件的应用,铁姆肯公司工程师与风机设计工程师密切合作,探索出了各类风机的操作参数,做出了最佳的摩擦管理解决方案。如今的工业设计都要求轴承的预测寿命能达到较长的L10寿命。为了实现这一目的,至关重要的手段就是在设计阶段采用最佳的轴承分析工具。Syber适用于各种条件下的系统建模和性能预测。它利用先进的图表,简单易懂地描述出复杂的负载循环、系统偏差和轴承状况等信息。工程师可根据Syber所出示的结果优化齿轮箱设计,预测潜在的损伤模式,缩短开发时间,降低成本。
 
         在过去的10~15年中,随着发电机组容量不断增加,所用的风机尺寸规模越来越大。这一变化趋势对相关技术提出了一系列的挑战和更苛刻的要求,风机用轴承安全可靠和长寿命运行也越来越受到业界重视。多年来众多实践表明,在风电行业使用的轴承产品中,圆锥滚子轴承更能适应大型风电机组的运行。而作为圆锥滚子轴承的发明者,加上百余年的技术创新与积累,铁姆肯公司在圆锥滚子轴承产品上拥有明显的优势。
       中国风能市场日新月异的发展,和风能作为一种绿色能源所体现出的无限潜能,都让我们有信心继续投入在中国风电领域产品的投资和重点倾向。将中国市场作为我们的本土市场,与中国经济共同发展成长,将是我们的长期目标和承诺。
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