风力发电厂的轴承选择与计算

对风力发电厂轴承的要求非常高。因此，轴承选择和寿命计算的程序与其他应用领域的轴承选择有着根本的不同。

在选择工业用轴承时，设计工程师可以相对容易地为定义的轴承位置选择轴承，工作必要时与其供应商一起，并根据转速和扭矩、径向和轴向载荷以及所需的刚度和预载荷或间隙等参数做出决定。 NSK 等完整供应商提供的广泛范围意味着始终有合适的轴承可供使用，即使是在不寻常的应用或特殊操作条件下也是如此。如果不是这种情况，也可以使用特殊的定制轴承。

严格要求
在风电技术中，选择轴承的程序根本不同，主要是因为一个参数：轴承寿命。风力发电厂及其齿轮的制造商要求其轴承的轴承寿命为 20 年（即 175,000 小时）。这已经是一个极值了，但并没有涵盖所有的要求。此外，必须考虑到由于风的作用，作用在轴承上的外部载荷是高度动态的（即不规则的）。离岸设施的不利环境条件（越来越频繁地使用）是另一个因素：海洋空气具有很强的腐蚀性。对于发电机组，还必须考虑电腐蚀。最后，风电场运营商可用的服务选项极其有限，轴承的任何计划外停机都将导致巨额成本。

计算生命周期的重要性
仅仅计算这类轴承的寿命就需要很大的专业知识。这就是为风力发电厂选择轴承比在其他使用领域更复杂的原因。必须考虑许多参数。除了应用环境中的轴承载荷和转速外，设计工程师还必须考虑轴承的放置结构——即轴和轴承座的配置、它们的材料和它们的公差。

根据这些数据，首先根据 DIN ISO 281（也称为目录方法）进行常规的标准化计算。参数是轴承载荷、转速、承载能力和轴承类型。在进一步的计算中，还考虑了油的温度、润滑和纯度等参数。

比标准要求的精度更高
DIN ISO 281 的附录 4 假定简化的轴承几何形状作为计算修改后的参考寿命的基础。在大多数情况下，这种计算就足够了。然而，在风电行业，更精确的值是首选。 NSK 为此开发了 STIFF 软件。在计算轴承寿命时，STIFF 还考虑了精确的内部几何形状、运行游隙和预载荷、轴承系统的变形以及滚动体和轴承滚道之间的载荷区和载荷分布。

在这个模型中，滚动体被分成片。为每个切片确定单独的、修改后的参考轴承寿命。基于每种载荷工况的时间份额，可以获得更真实的轴承总寿命指标。

有针对性的设计优化
除了快速精确地计算轴承寿命外，STIFF 软件还允许进行短期版本分析，从而优化现有设计。此外，可以快速测试轴承的特殊适应性。这一特殊优势经常被利用：正是由于严格的要求，定制轴承经常用于风电技术。此外，刚度的预测、效率损失的估计和运行安全性的调查是 NSK 风能部门在选择轴承时所追求的计算目标的一部分。

工程至上：与客户紧密合作
鉴于该领域必须考虑的数据量和苛刻的轴承寿命要求，因此此类项目始终与客户密切合作执行也就不足为奇了。除了工程之外，测试也起着重要的作用。 NSK 设计的轴承试验台可以模拟动态载荷和运动。其中包括，例如，能够从转子负载施加动态力和力矩的大型轴承试验台，以及用于模拟快速旋转滚子轴承的加速、减速和制动过程的试验台。

风电技术的Super-TF技术
除了轴承设计的选择外，材料的选择也起着至关重要的作用：例如，在不利条件和动态载荷下，轴承寿命为 175,000 小时，只能通过使用特殊材料来实现。这就是 NSK 凭借其多年的材料专业知识开发适合极端操作条件的特殊材料的原因。其中一项发展是 Super-TF 技术。该技术采用高纯度轴承钢结合特殊热处理技术，保证优化的残余奥氏体含量。这种材料可确保任何渗入轴承的异物在材料中产生的应力比在传统钢中产生的应力小。因此，杂质损坏的频率降低。

由这种材料制成并使用清洁润滑剂的轴承的使用寿命大约是其两倍。 Super-TF技术可用于多种轴承类型，例如圆柱滚子轴承，这是风电技术中最常用的轴承类型，以及圆锥滚子和调心滚子轴承。

不同类型的轴承
在兆瓦级和多兆瓦级的现代风力发电厂中，多级行星齿轮和差速齿轮主要提供主动力传动系必要的减速。在这种情况下，设计工程师不仅要选择合适的轴承类型，还要确定轴承配置的类型。提供带固定和自由端轴承的轴承组件、调整轴承组件或浮动轴承组件。

每种轴承类型都有一定的优点和缺点。调整后的轴承组件允许轴的精确引导，特别是在轴向方向上，因此存在相互拉紧的风险。因此，必须在此处选择轴承组件类型，例如圆锥滚子轴承，它们允许在至少一个方向上与径向力一起承受轴向力。这同样适用于浮动轴承组件，其中轴可以轴向移动一定距离。例如，固定和浮动轴承组件用于行星架和行星轮的轴承设计。

主齿轮的新设计
除了越来越高性能和海上设施的趋势，新的驱动和齿轮设计也给设计工程师带来了新的挑战。 NSK 正与风力发电厂及其驱动部件的制造商密切合作。目标是帮助市场快速开发新设计（例如提高风力涡轮机的效率或减轻机舱的重量），并为其用户提供竞争优势。 NSK 拥有 20 多年为风电行业开发轴承的经验，这一优势也使风电行业以外的轴承用户受益。

有关 NSK 产品和服务的更多信息，请访问 www.nsk.com。