隨著(zhù)新能源應用的發(fā)展，作為新能源中開(kāi)發(fā)較早的風(fēng)能，在電網(wǎng)中占據了越來(lái)越大的比重。同時(shí)，越來(lái)越多的制造商開(kāi)發(fā)了各種不同的風(fēng)力發(fā)電機主機，為了增強其產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競爭實(shí)力，從傳動(dòng)鏈設計的改進(jìn)，到各種零部件不同功能的考慮，都成為風(fēng)力發(fā)電機主機設計改進(jìn)的不同考慮因素。

　　作為風(fēng)力發(fā)電機的主要零部件，軸承的選用一直是主機生產(chǎn)廠(chǎng)商最關(guān)心的問(wèn)題，不論是軸承本身的設計，還是軸承配置的選擇，都決定著(zhù)風(fēng)力發(fā)電機主機的運行性能及使用壽命。

　　由于風(fēng)力發(fā)電機運行工況復雜，主機維修成本較高，保證其運行的可靠性，即風(fēng)力發(fā)電機的使用壽命，一直都是困擾主機制造商的重要問(wèn)題。其中軸承的應用對主機效率的影響極為重要。因此，基于風(fēng)力發(fā)電機的復雜性，SKF專(zhuān)門(mén)為其并開(kāi)發(fā)了一種特殊的軸承，即“Nautilus”軸承——一種具有特殊的大接觸角的雙列圓錐滾子軸承（圖1）。

　　風(fēng)力發(fā)電機主機軸承配置

　　傳統的風(fēng)力發(fā)電機軸承配置為雙軸承支撐。根據風(fēng)力發(fā)電機的工作原理，傳動(dòng)鏈通常采用如下設計：主軸、齒輪箱(增速箱)和發(fā)電機。在主軸上，采取雙軸承的配置是比較傳統且比較常用的形式，采用的軸承類(lèi)型根據設計要求的不同而有所不同，但通常較為傳統的軸承配置為球面滾子軸承配置或圓錐滾子軸承配置。

　　雙軸承配置的好處在于主軸軸承承受了大部分復雜的風(fēng)力載荷，除扭矩外，基本上沒(méi)有其他載荷會(huì )傳遞到傳動(dòng)鏈的齒輪箱里，給齒輪箱的設計帶來(lái)了極大便利。但這種配置也有其自身的缺點(diǎn)，比如傳動(dòng)鏈較長(cháng)，除主軸長(cháng)度外，還要考慮主軸與齒輪箱連接的聯(lián)軸器的長(cháng)度。因此，在小功率的風(fēng)力發(fā)電機中，這種配置比較常見(jiàn)。在大功率的風(fēng)力發(fā)電機中，過(guò)長(cháng)的傳動(dòng)鏈則意味著(zhù)更大的體積以及更高的制造成本。

　　現最新的主軸軸承配置解決方案為單軸承支撐。隨著(zhù)風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展，大功率風(fēng)力發(fā)電機成為市場(chǎng)發(fā)展的趨勢，較高的能量密度也成為各主機制造商爭相追趕的目標，給軸承設計帶來(lái)了極大挑戰。

　　在大功率風(fēng)力發(fā)電機里，要保證有足夠的載荷能力承受較大的風(fēng)力載荷。因此，主軸，包括軸承的尺寸勢必要增大，而這必定會(huì )造成主機整體重量的增加，隨之而來(lái)的則是主機相關(guān)部件，包括塔架等零部件制造成本的增加。那么是否有能夠在提高風(fēng)力發(fā)電機功率的同時(shí)還能減輕重量并降低整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機的制造成本呢？這成為主機廠(chǎng)商和零部件廠(chǎng)商所面臨的日益緊迫的問(wèn)題，因為成本的下降，意味著(zhù)產(chǎn)品競爭能力的提高?；谝陨戏N種目的，SKF專(zhuān)門(mén)為大功率風(fēng)力發(fā)電機開(kāi)發(fā)了大接觸角的圓錐滾子軸承（圖2）。

　　Nautilus軸承的突出特性

　　該軸承為背對背配置的圓錐滾子軸承，擁有較大的接觸角(45)。其不僅讓單軸承的主軸配置成為可能，同時(shí)大大縮短了傳統設計中的傳動(dòng)鏈長(cháng)度，使緊湊型的風(fēng)力發(fā)電機設計成為可能。當然，特殊的設計同樣保證了軸承或者說(shuō)傳動(dòng)系統的所有功能。

　　1.較大的接觸角

　　傳統的配對(或者雙列)圓錐滾子軸承，接觸角一般只有20左右，在保證其較大的徑向承載能力以外，軸承的軸向承載能力以及承受傾覆力矩的能力都有一定的限制。因此，在一根主軸上要保證設計能夠滿(mǎn)足應用的要求，必須要有另外一個(gè)軸承作為第二個(gè)支點(diǎn)承受另外的徑向力，而且兩個(gè)軸承的配置，才能滿(mǎn)足整個(gè)軸在受到傾覆力矩時(shí)，不會(huì )發(fā)生變形。

　　而Nautilus軸承突破了傳統接觸角的設計，將每個(gè)單列軸承的接觸角放大到45。與傳統的雙軸承配置相比較，Nautilus軸承兩個(gè)單列軸承接觸點(diǎn)的連線(xiàn)間的距離遠遠高于一般圓錐滾子軸承，這兩個(gè)接觸點(diǎn)連線(xiàn)的交點(diǎn)可以作為整個(gè)軸系中的兩個(gè)焦點(diǎn)，成為支撐軸系運行的作用點(diǎn)。

　　2.分段式的工程塑料保持架

　　除較大的接觸角外，該軸承另一個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)就是采用了分段式工程塑料保持架。對于軸承的內部部件來(lái)說(shuō)，滾動(dòng)體是重要的承載部件，而保持架除保持滾動(dòng)的運行狀態(tài)外，還有分隔滾動(dòng)體避免其相互間產(chǎn)生摩擦的功能。保持架不是一個(gè)受力元件，不能承受任何形式的外力。因此，其往往采用較輕的材料來(lái)生產(chǎn)，同時(shí)，保持架材料要滿(mǎn)足另一個(gè)要求，即足夠的強度。由于保持架在軸承運行中的旋轉所需要的動(dòng)力是由滾動(dòng)體所提供的，因此，保持架的材料需要一定的強度來(lái)保證其正常的運行。

　　對于SKFNautilus軸承來(lái)說(shuō)，為了保證接觸角連線(xiàn)足以承受系統中的受力，軸承的尺寸往往都很大，目前市場(chǎng)上應用較多的是直徑為2~2.5m的軸承產(chǎn)品。因此，降低軸承本身重量成為其設計中亟待突破的技術(shù)難題。作為承載部件的內外圈和滾動(dòng)體，為要保證軸承的承載能力，在選材上不能有絲毫馬虎。SKFNautilus軸承采用的工程塑料，不僅能保證足夠的強度，而且重量較輕，保證了軸承的旋轉性能，同時(shí)降低了軸承內部的摩擦。

　　分段式設計是SKFNautilus軸承另一大特色（圖3）。在該軸承中四五個(gè)滾動(dòng)體共用一個(gè)保持架組件，而各保持架組件之間沒(méi)有任何其他鏈接。如果在該軸承中使用傳統的一體式保持架，由于尺寸過(guò)大，保持架本身的重量就會(huì )使其發(fā)生變形，在軸承運行過(guò)程中，這種變形會(huì )導致滾動(dòng)體與保持架的額外接觸，產(chǎn)生額外摩擦。這不僅會(huì )增加軸承的運行溫度，而且摩擦對保持架和滾動(dòng)體材料的磨損也會(huì )導致保持架甚至滾動(dòng)體的變形，最終影響軸承的承載能力甚至使用壽命。

　　分段式保持架，每個(gè)組件的個(gè)體都很小，即使很多組件放在一起，也不會(huì )產(chǎn)生變形。同時(shí)，由于每個(gè)組件只有四到五個(gè)滾動(dòng)體，因此，保持架所產(chǎn)生的摩擦也會(huì )被降低到最小范圍內。

　　3.應用特點(diǎn)

　　Nautilus軸承現已被廣泛應用在大功率風(fēng)力發(fā)電機中，取代了雙軸承設計，縮短了傳動(dòng)鏈的尺寸。那么這種應用到底能帶來(lái)什么好處，在應用中又會(huì )產(chǎn)生哪些問(wèn)題呢？

　　傳統風(fēng)力發(fā)電機主軸的設計，其軸承的受力分工一般是固定端的軸承承受所有的軸向載荷和部分徑向載荷，而另一個(gè)軸承作為浮動(dòng)端承受部分的徑向載荷。風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力載荷的大小決定了所需軸承的尺寸，而軸承尺寸則決定了兩軸承間的距離，也決定了整個(gè)傳動(dòng)鏈的長(cháng)度。

　　單軸承（Nautilus）設計是在保證同樣軸承受力條件下，由一個(gè)軸承承受所有的軸向和徑向載荷，縮小了整個(gè)傳動(dòng)鏈的尺寸。單軸承設計中除需考慮內部預緊力外，對于軸承的應用來(lái)講，與雙軸承沒(méi)有任何區別。而且單軸承特殊的保持架設計，使其在脂潤滑和油潤滑條件下都具有非常好的運行性能。

　　在主軸上只有一個(gè)軸承，卻要實(shí)現兩個(gè)軸承的作用，那么，這個(gè)軸承的剛度就成為在軸承設計中必須考慮的關(guān)鍵因素。Nautilus軸承的內圈為兩個(gè)分離的部件，通過(guò)對風(fēng)力發(fā)電機應用的校核，在生產(chǎn)中將軸承的內部游隙設計到理想范圍，在軸承安裝后，就能達到最優(yōu)化的預緊力，簡(jiǎn)化軸承的安裝過(guò)程，同時(shí)滿(mǎn)足軸承正常運行的需要。

　　圓錐滾子軸承的設計

　　在早期的市場(chǎng)上，為了滿(mǎn)足單軸承的設計要求，通常采用的軸承為三列圓柱滾子軸承。該軸承的設計類(lèi)似于回轉支承，一列滾動(dòng)體(類(lèi)似于圓柱滾子軸承)承受所有的徑向力，另外兩列滾動(dòng)體(類(lèi)似于滾子推力軸承)承受系統中的雙向軸向力。該軸承似乎可以滿(mǎn)足單軸承配置的一些功能，但通過(guò)軸承運行的分析發(fā)現作為推力軸承功能的兩列滾動(dòng)體在軸承做整圈旋轉時(shí)，滾動(dòng)體的兩個(gè)端面不能達到同樣的線(xiàn)速度，這就意味著(zhù)在軸承運行過(guò)程中存在大量的滑動(dòng)摩擦。而作為滾動(dòng)軸承，滑動(dòng)摩擦是要極力避免的，因為它不僅會(huì )帶來(lái)更多的軸承發(fā)熱，同時(shí)滑動(dòng)摩擦的潤滑在軸承潤滑中也是非常棘手的一個(gè)問(wèn)題。由于設計上的一些問(wèn)題，該軸承現在已不能滿(mǎn)足日益走向大功率化的風(fēng)力發(fā)電機的需求。

　　不同設計保持架的比較

　　除SKFNautilus軸承的保持架設計外，市場(chǎng)上還有幾種不同的保持架設計?，F分別比較一下幾種保持架的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　圖4為金屬一體的穿銷(xiāo)式保持架。顧名思義，該軸承的滾動(dòng)體為通孔式設計，在滾動(dòng)體中間有一根銷(xiāo)子分別連接在保持架側圈的兩端。在設計上，這種軸承的滾動(dòng)體尺寸要比相同尺寸的其他軸承大得多，因為不僅要滿(mǎn)足足夠的承載能力，還要在滾動(dòng)體內部開(kāi)一個(gè)通孔以便穿銷(xiāo)式保持架的安裝。另外，滑動(dòng)部件的潤滑是一個(gè)很重要的問(wèn)題，這在上文中已經(jīng)提及。該軸承滾動(dòng)體內孔與保持架穿銷(xiāo)之間全部都是滑動(dòng)摩擦，不僅潤滑問(wèn)題不好解決，它所帶來(lái)的軸承發(fā)熱也是必須要關(guān)注的問(wèn)題。

　　另一種典型設計是沒(méi)有保持架的滿(mǎn)滾子軸承設計。當然，從主軸軸承較低的轉速來(lái)看，滿(mǎn)滾子軸承所帶來(lái)的旋轉能力的下降不足以成為該軸承應用的阻礙。但是，滾動(dòng)體之間的摩擦則是一個(gè)不可忽視的關(guān)鍵。

　　軸承中之所以要設計保持架，一個(gè)重要的功能就是將相鄰的兩個(gè)滾動(dòng)體分開(kāi)，在軸承運行時(shí)避免軸承滾動(dòng)體內部的摩擦，降低摩擦及噪聲。因此，滿(mǎn)滾子軸承雖然具有很高的承載能力，但是在主軸軸承上，由于滾動(dòng)體內部的摩擦其仍然不是理想的選擇。

　　另外，上文中提及的另一種保持架設計，即與傳統軸承相似的一體式保持架。在SKFNautilus軸承中沒(méi)有選擇一體式保持架，主要是由于其尺寸過(guò)大，自身重量會(huì )引起保持架的變形，帶來(lái)更多的滾動(dòng)體與保持架之間的摩擦。此外，作為產(chǎn)生能源的設備，風(fēng)力發(fā)電機設計中的一個(gè)重要問(wèn)題就是提高能量密度，最大化的降低其零部件的能量損失。從此角度出發(fā)，一體式保持架也有著(zhù)局限性。

　　風(fēng)力發(fā)電機，因其特殊的應用工況，對零部件的選擇至關(guān)重要。據研究報告顯示，到2012年，風(fēng)力發(fā)電的裝機容量將由2007年的90000MW上升至290000MW。風(fēng)力發(fā)電機制造商及運營(yíng)商，都越來(lái)越傾向于高可靠性的風(fēng)力發(fā)電機主機，以達到經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的平衡。