中小型風力發電機轉子軸承制造工藝研究

羅昌芬 陳 郁 劉 洪

(東方電氣集團 東風電機有限公司，四川 樂山614000)

風力發電機，是一種非常典型的旋轉機械。 其能量方式的轉換過程為：風能轉換為風輪機的動能，再經過發電機將動能轉變為電能。由此可以得知，風力發電機的能量轉換，均是由葉片和電機的旋轉而產生的。 對于旋轉機械的整個運轉流程中，保持一定的同心度和較小的尺寸偏差對于整機的高效、穩定運行具有舉足輕重的作用。 然而在機組的實際運行中，受到加工誤差、磨損等因素的影響，電機軸的運行過程中，難免出現偏心的情況，嚴重時機組更有可能產生較大的噪音、振動等癥狀而導致事故停機，而避免該情況發生的最常用方法就是發電機軸配合合適的軸承。綜上所述，采用新的工藝設備，完成軸承的一次性加工，能夠確保加工精度，提高生產效率。

1 軸承加工工藝分析

1.1 軸承強度及內徑的計算

軸承加工， 主要是針對其具體的結構形式和尺寸以及精度等條件，進行合理的工藝路線安排。因此可以知道，發電機轉子鐵芯內徑的大小直接決定著軸承內徑的取值。 這也是軸承選型的關鍵步驟之一。因為如果鐵芯內徑很大，當風機處于較高的飛逸轉速工況時，磁極和磁軛所承受的應力會比較大；而當鐵芯內徑非常小的時候，轉動慣量便無法滿足設計要求，此時磁極極間距較小，發電機的冷卻性能較差，線圈無法側向固定也存在較大難度。

綜上所述，對于風力發電機而言，軸承主要與電機轉軸配合，其內徑計算方程如下式所示：

式中，τ 為許用切應力；P 為發電機功率；n 為發電機轉速。

假設軸承的主要失效方式為疲勞變形， 則僅考慮扭矩的影響，安全系數可由下式得出：

建立軸承3 維模型，邊界條件設置按照電機軸電磁轉矩計算結果設置，網格采取六面體非結構化網格，計算結果如圖1 所示。

圖1 軸承強度分析

1.2 加工工藝分析

由圖1 所示，在軸承的加工工藝安排上，主要從以下幾個方面來考慮：

（1）軸承長度與發電機軸的長度L 相等，軸承的內表面與電機軸配合。

（2）由于風力發電機轉子的運轉速度n 一般比較快，所以表面精度越低，疲勞屈服極限越小，變形量越大，故軸承內表面必須保持一個較高的精度。

（3）待產品加工成型后，內表面需進行淬火、滲碳等處理，以提高強度。

2 誤差分析

通常情況下， 風力發電機的軸承和電機軸之間的配合為過盈配合。在加工過程中，該步驟的實現過程為：（1）對軸承進行加熱，使其內徑增大；（2）待電機軸穿入之后，再對軸承冷卻，繼而完成整個配合過程。 在這個環節中，如若材料選擇不合理，或是溫度控制不理想。 都將會導致配合后的軸承變形量增大，從而影響其工作性能。

3 新工藝方案的提出

由以上誤差分析可知，若采用傳統的工藝加工方式，其累計誤差較大。因此，本文擬采取一種新的工藝方式進行加工，即開發一套新的工藝加工設備。 其操作步驟為：（1）制造部件模具，將轉子軸和軸承尺寸修改到恰好能過盈配合的狀態，這樣做的好處是，減少了軸承內徑加工的環節（即將毛坯件先壓入再加工）；（2）工藝夾具可以采用液壓形式的，類型為楔形，油壓；（3）加工工具驅動裝置可采用伺服電機2套（如圖2 所示）。 因為伺服電機是靠信號轉換進行工作，一旦加工過程出現尺寸、精度等偏差，信號反饋至首端，繼而電機自動調整電壓，改變介質油的體積和壓強，從而達到調整加工精度的目的。

圖2 工藝裝置結構布置

4 軸承參數測試

按照上述方法，對某小型風力發電機的軸承進行加工。 已知機組的部分參數條件為：功率P=2MW，風輪直徑D=60m，額定風速度v=12m/s，功率控制形式為變速變漿矩。

完成風力發電機軸承的工藝加工流程后。 對產品進行質量檢測，其結果如下：

（1）少了更換夾具加工的流程，且該設備是以轉子鐵芯內圓為基準，可兩端同時進行，故軸承同軸度比較高；

（2）采用先配合再加工的形式，能夠有效保證尺寸偏差在允許范圍內；

（3）加工出的風力發電機的轉子兩個軸承同軸度為0.01mm，軸承和轉子的同軸度為0.02mm，完全滿足設計要求。

5 結論

對于風力發電機而言，電機軸和軸承之間的尺寸偏差、變形量以及同軸度標準的高低，是決定機組性能好壞的一個關鍵性問題，加工出的產品能否和設計圖紙保持一致， 主要取決于工藝路線的合理安排。本文在對發電機軸承的工藝編排中，通過開發新的設備，改變了傳統加工方式的弊端，有效地提高了產品的加工精度，為今后該類型的軸承加工方式，探索出了一個行之有效的方法。

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