大功率風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的趨勢探討
　　   
　　目前常見的風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)大致可以劃分為四類：傳統(tǒng)型高速電機(jī)、直驅(qū)型低速電機(jī)、半直驅(qū)型中速電機(jī)和多發(fā)電機(jī)型(見圖1)。不論是哪種風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)類型，更高的可靠性、更低的原材料消耗和更輕的前頭質(zhì)量等因素一直是優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。衡量先進(jìn)機(jī)組設(shè)計(jì)的指標(biāo)之一的“發(fā)電量／前頭質(zhì)量(千瓦／千克)”更是大功率風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)持續(xù)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)因素，有助實(shí)現(xiàn)以更輕的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行更高效的發(fā)電。

　　目前，關(guān)于大功率風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)趨勢的觀點(diǎn)有很多，具中一種觀點(diǎn)認(rèn)為：小到中等功率的風(fēng)電機(jī)組可采用帶高速電機(jī)的傳統(tǒng)型設(shè)計(jì)，而中等到偏大型功率風(fēng)電機(jī)組可采用直驅(qū)型設(shè)計(jì)，而更大型的風(fēng)電機(jī)組適合使用半直驅(qū)的設(shè)計(jì)，這幾種風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)所適合的功率范圍并沒有嚴(yán)格的界定。但無論是哪一種設(shè)計(jì)，軸承始終是傳動(dòng)鏈中的重要零件，它的優(yōu)化會(huì)對(duì)傳動(dòng)鏈起到提升的作用。
　　   
　　鐵姆肯公司大功率風(fēng)電機(jī)組

　　由于主軸軸承時(shí)刻承受著外部變化的力、彎矩和沖擊載荷，這對(duì)軸承的設(shè)計(jì)、選型和安裝提出了很高的要求。在現(xiàn)有的各種設(shè)計(jì)中可以看小，功率較小的風(fēng)電機(jī)組，例如小于1MW或是1.5MW，其主軸采用調(diào)心滾子軸承較多，而中等到大功率風(fēng)電機(jī)組越來越多的采用圓錐滾子軸承作為主軸軸承。如果主軸軸承選用調(diào)心滾子軸承，不論是單個(gè)調(diào)心滾子主軸軸承的3點(diǎn)支承設(shè)計(jì)還是兩個(gè)調(diào)心滾子主軸軸承的4點(diǎn)支承設(shè)計(jì)，由于調(diào)心滾子軸承的設(shè)計(jì)原理所致，在承受較大軸向力時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)單列受載的情況，并且由于徑向和軸向游隙的存在(如圖2所示)，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在剎車或是出現(xiàn)其他軸向載荷交替變換方向的工況時(shí)，主軸及其后面連接的行星架在軸向可能會(huì)有竄動(dòng)，對(duì)行星架支承軸承會(huì)造成沖擊，而且由于內(nèi)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(dòng)，會(huì)造成行星輪齒而磨損。
　　 
　　鐵姆肯公司推薦的主軸解決方案包括：單列圓錐滾子軸承跨裝、單個(gè)雙外圈超大圓錐滾子軸承、雙內(nèi)圈圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承組合(如圖3所示)。這3種解決方案都可以通過圓錐滾子軸承預(yù)緊來解決單列受力的問題，消除主軸軸向和徑向竄動(dòng)的影響，優(yōu)化預(yù)緊的圓錐滾子軸承的承載區(qū)，減少滾道應(yīng)力，最終提高系統(tǒng)的剛性。其中，雙內(nèi)閣圓錐滾子軸承加圓柱滾子軸承組合方案結(jié)合了圓錐滾子軸承上佳的復(fù)合承載能力和圓柱滾子軸承出眾的徑向承載能力；單個(gè)雙外圈超大圓錐滾子軸承方案通過較大錐角的設(shè)計(jì)來優(yōu)化復(fù)合承載能力和有效支承跨距，提升抵抗傾覆力矩的能力，并且可以使整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更緊湊；而單列圓錐滾子軸承跨裝方案減小廠軸承的尺寸，降低了成本。這3種解決方案均已在大功率風(fēng)電機(jī)組主軸上得以應(yīng)用。

　　齒輪箱解決方案
　　  
　　大功率風(fēng)電機(jī)組的主齒輪箱優(yōu)化設(shè)計(jì)要求使用多行星分流，Timken集成式柔性銷行星輪組件(如圖4所示)是提高行星級(jí)可靠性的最佳方案之一。齒輪和軸承外圈集成于一體的設(shè)計(jì)，杜絕了外圈跑圈的可能性，同時(shí)提供了更多的內(nèi)部空間，設(shè)計(jì)更多、更大的滾子提高承載能力。通過預(yù)緊兩列圓錐滾子，不僅能優(yōu)化其承載區(qū)，降低應(yīng)力和滾子打滑的幾率，更能使載荷更均勻地分布在兩列。柔性銷設(shè)計(jì)允許行星輪組件產(chǎn)生柔性的偏移，保證齒面擁有高度的嚙合率，接觸均勻。而多個(gè)行星輪的設(shè)計(jì)，更能使各行星輪之間的載荷均勻分布，降低加工和裝配的精度要求，這一點(diǎn)對(duì)大型的齒輪箱尤其重要。因此，以Timken集成式柔性銷行星輪組件為基本模塊的柔性傳動(dòng)系統(tǒng)能顯著提高傳動(dòng)能力，降低尺寸和重量。如果對(duì)比Timken閉合行星架柔性行星輪系和傳統(tǒng)的行星輪系，在相同尺寸的情況下，Timken閉合行星架柔性行星輪系能多傳遞50％的扭矩。在相同的扭矩傳遞能力的情況下，Timken閉合行星架柔性行星輪系的尺寸降低 20％，重量減少40％。
　　
　　在傳統(tǒng)的平行級(jí)設(shè)計(jì)中，中間軸可能會(huì)采用調(diào)心滾子軸承和圓柱滾子軸承組合，圓柱滾子軸承及四點(diǎn)接觸球軸承組合在高速軸的應(yīng)用中較為常見。調(diào)心滾子軸承在軸向力偏大的時(shí)候會(huì)小現(xiàn)單列受載的情況，滾道和滾子會(huì)因此受損。在高速和低載的情況下，圓柱滾子軸承容易出現(xiàn)滾子打滑和滾道滑傷，而球軸承可能會(huì)出現(xiàn)滑傷和微剝落的損傷。鐵姆肯公司推薦使用圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承組合作為中間軸，推薦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5所示)作為高速軸。帶抗磨涂層的圓柱滾子軸承在整個(gè)壽命周期的運(yùn)行中既能持續(xù)地防止滑傷，也可以防止由于潤滑劑里含雜質(zhì)而造成的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(dòng)的特性可將滑傷的可能性降至最低。
　　  
　　總之，風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用工況的復(fù)雜多變性、維修更換的難度及高成本等對(duì)風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)可靠性提出了很高的要求。而隨著陸上風(fēng)電的深化及海上風(fēng)電的發(fā)展，大功率風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)和應(yīng)用成為業(yè)界的重點(diǎn)之一，對(duì)其可靠性的要求是有增無減，再加上對(duì)大功率風(fēng)電機(jī)組的“發(fā)電量／前頭質(zhì)量”指標(biāo)的優(yōu)化要求，傳動(dòng)鏈的優(yōu)化設(shè)計(jì)無疑是至關(guān)重要。選用適合應(yīng)用要求的主軸解決方案，通過預(yù)負(fù)載的圓錐滾子主軸軸承來提高系統(tǒng)剛性，減少主軸的竄動(dòng)，不僅可以提高主軸系統(tǒng)的可靠性，還能減小其尺寸和重量，降低成本。對(duì)于齒輪箱的設(shè)計(jì)，可以使用柔性銷和帶抗磨涂層的圓柱滾子軸承及單列圓錐滾子定位軸承，不僅能降低齒輪箱的尺寸和重量，減低齒輪和軸承出現(xiàn)損傷的可能性，增加“功率密度”，而且還能使行星級(jí)的加工和裝配更容易。這樣通過對(duì)整個(gè)傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而使得大功率風(fēng)電機(jī)組能高效的、可靠的工作。