风机轴承系统研究

2.1  引言
滚动轴承在风力发电机中分布广泛，在偏航系统、变桨系统、传动系统等很多部位都有使用，是风力发电机的机械传动装置中的关键部件，由于机械系统发生故障时调换零件麻烦、费用高，因此对滚动轴承进行状态监测及诊断具有重要的现实意义。
2.2  风力发电机轴承特点
风力发电机是将自然界中的风能转化为电能的装置。从外形上看，它主要包括风轮、机舱、塔架、基础四个部分。风轮由叶片和轮毂组成。叶片通常是 2~3 个，在气流的作用下风轮发生转动，通过轮毂传到主轴带动发电机进行能量转换。轮毂内一般设有变桨距控制系统。机舱由机舱罩和底盘组成，如图 2-1 所示，机舱罩内包括传动轴、齿轮箱、发电机、液压系统、偏航驱动电机、电控柜等，机舱罩后部上装有风向标，底盘与塔架相连。
塔架作为机舱和风轮的支撑装置，起着重要的作用，为了得到较大的风能，塔架通常比较高。塔架的基础为钢筋混凝土结构，根据风机所安装的当地地质情况设计成不同的形式。而轴承主要存在于风机中的变桨系统、偏航系统和主传动系统中，其中在主传动系统中占多数。下面对风力发电机主传动系统的主要部件进行介绍。
2.2.1  风力发电机的主传动系统
风机主传动系统主要由主轴及主轴承、齿轮箱、发电机、高速轴及联轴器组成。
2.2.1.1  主轴及主轴承
主轴位于风轮和增速齿轮箱之间，主轴前端与轮毂连接，后端与齿轮箱低速轴连接，风速变化多端使主轴受力情况非常复杂。分析主轴的工作情况，其受力形式主要为轴向力、径向力、弯矩、转矩和剪切力，主轴通常会产生循环受力疲劳，这是因为风力发电机每经过一次起动和停机，主轴都要经历一次所受的力。主轴的支撑方式一般有两种，一种是挑臂梁结构，即主轴由两个轴承架所支撑，见图 2-2a)；另一种方式为悬臂梁结构，主轴的一个支撑为轴承架，另一支撑为齿轮箱，即三点式支撑，如图 2-2b)所示。这种支撑方式的好处是后支点为弹性支撑，因此能够吸收来自叶片变化的突变能量。
2.2.1.2  齿轮箱
按照是否含有齿轮箱结构，可以将风力发电机分为三种：高传动比齿轮箱型、直接驱动型、中传动比齿轮箱型(“半直驱型”)。由于风轮转速较低，需要增速齿轮箱的齿轮副，将动能传递给发电机并使其得到满足发电条件的转速。但是，由于齿轮箱受力复杂且体积庞大，导致维修及拆卸相当麻烦。因此，无齿轮箱的直驱型风机应运而生。利用多级同步发电机可以去掉风力发电系统中齿轮箱，可以使发电机转子在低速下运行仍可以进行并网发电，免除了齿轮箱所带来的噪声和故障等问题。而半直驱型风机是以上两种方式的结合，既降低了传统齿轮箱的传动比，又减少了多级同步发电机的磁极对数，从而减小发电机体积。
2.2.1.3  联轴器
联轴器是用于传动轴的连接和动力传递，可以分为刚性联轴器和挠性联轴器两种，刚性联轴器用在对中性好的两个轴的联接，如风机低速轴端(齿轮箱低速轴与主轴连接处)；挠性联轴器用在对中性较差的两个轴的联接，构成一个弹性模式，吸收轴系外部负载波动产生的振动，如风机的高速轴端(齿轮箱高速轴与发电机连接处)。
2.2.1.4  发电机
发电机是利用电磁感应原理把动能转化为电能的设备，是风力发电机的重要组成部件。它可分为直(交)流发电机和同(异)步发电机。发电机主要由定子、转子、端盖、电刷、机座及轴承等部件构成。目前，风电市场上主流的机型是绕线式双馈异步发电机和直驱式永磁同步发电机。
 

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