《轴承》2024年 第9期
李斑虎，谷运龙，王健，等.5MW风电机组主轴轴承试验平台[J].轴承，2024（9）：73-78.
LI Banhu ，GU Yunlong，WANG Jian，et al.Test Platform for Main Shaft Bearings Used in 4.5 MW Wind Turbines[J].Beairng,2024（9）：92-99.点击文后“阅读原文”下载全文
4.5MW风电机组主轴轴承试验平台
李斑虎 1,2 ![]()
谷运龙 1,2王健 1,2申志新 1,2朱宇腾 1,2（1. 洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2. 河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039 ）
DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2024.09.011摘 要 长寿命、高可靠性、高维护成本等要求阻碍了国产风电机组主轴轴承的批量化应用，为更好地模拟主轴轴承的受力情况，根据某型4.5 MW风电机组主轴轴承的服役工况确定了试验平台的功能需求并进行实现原理分析，设计开发了驱动系统、试验主体系统、加载系统、电控系统等组件并成功搭建风电机组主轴轴承试验平台，结果表明该试验平台能够满足转速、载荷、温度、振动等参数的监测，可用于主轴轴承的性能及寿命试验，为风电机组主轴轴承的国产化应用提供考核平台。关键词 滚动轴承；风力发电机组；主轴；疲劳试验机；可靠性；寿命在国家提出实现碳达峰、碳中和的目标，以及改变风电行业补贴政策的条件下，国内风电行业提出了降本增效的应对策略，具体到主轴轴承主要体现在2个方面：1）轴承国产化，采用国产轴承替代国外品牌轴承；2）在发电功率相同的情况下采用更小尺寸的主轴轴承，降低整机尺寸，进而降低成本。风电机组的维护成本较高，陆上风电的轴承使用寿命要求为20 a，95%的高可靠性要求（传统轴承可靠性要求为90%［1］）和巨大的维护成本对国产轴承提出了严苛的挑战。除了采用专业的轴承设计分析软件进行工况匹配性、可靠性设计，以及应用精益的制造水平保证质量之外，对主轴轴承进行地面试验也是保障轴承可靠性的验证方法。国内风电轴承试验技术研究起步较晚，经过近些年的研制攻关，解决了诸多技术难题，研制出了一批具有自主知识产权的大型风电轴承试验机［2-4］。风电主轴轴承承受轴向载荷、径向载荷以及倾覆力矩，而目前国内能够同时满足轴向、径向载荷以及倾覆力矩加载的风电主轴轴承试验设备鲜有报道。因此，为更好地模拟风电主轴轴承的受力情况，在现有风电轴承试验机开发技术及工程经验的基础上，针对某型4.5 MW风电机组主轴轴承的实际工况，开发一套用于主轴轴承极限性能及寿命考核的试验平台。某型4.5 MW风电机组主轴轴承采用2套圆锥滚子轴承，如图1所示，FD-306/2160/P5安装在驱动端，FD-306/1270/P5安装在非驱动端，2套轴承同时承受轴向载荷、径向载荷以及倾覆力矩。![]()
图1 轴承布局示意图Fig.1 Layout diagram of bearings结合该机型轮毂中心的极限载荷谱和疲劳载荷谱搭建用于考核主轴轴承极限工况及寿命的试验平台。列举最大工况作为试验平台的设计输入，见表1。结合设计输入以及试验要求，最终的技术参数设计指标见表2，根据该要求搭建试验平台。表1 试验平台设计最大工况输入Tab.1 Designed maximum working condition input for test platform
表2 4.5 MW风电机组主轴轴承试验平台主要技术指标Tab.2 Main technical specifications of test platform for main shaft bearings used in 4.5 MW wind turbines
为满足试验轴承的安装布局，实现轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩的加载以及驱动系统、电控系统、软件系统的功能，并在试验过程中实时测控轴承外圈温度、振动、载荷、转速、扭矩、应力等参数，大功率风电机组主轴轴承试验平台的总体结构设计如图2所示。结合试验平台功能需求，对各个模拟功能的实现方式进行分析探讨。![]()
图2 大功率风电机组主轴轴承试验平台总体构成Fig.2 Overall composition of test platform for high-power wind turbine main shaft bearing主轴轴承承受的载荷较大，对于配对使用的圆锥滚子轴承，主轴和轴承座的材料、壁厚以及轴承跨距均会影响整个系统的刚度，进而影响载荷分配至轴承的情况。因此，为更好模拟主机工况和轴承受力，需要模拟试验轴承在主机中的实际安装情况。轴向、径向载荷可采用传统的液压加载方式［5］，选取合适的加载轴承及液压加载系统即可。倾覆力矩的加载有2种方式：1）采用悬臂结构［6］，加载臂固定端连接试验轴承或轴系，悬浮端采用液压缸加载，调整液压缸施加的载荷并与加载臂长度相乘即可得到所需的倾覆力矩；2）采用环形等距布置若干液压缸的方式［7］，通过关于直径对称的2个液压缸实施拉、推力的方式形成倾覆力矩。悬臂结构可以产生所需的倾覆力矩，但会形成额外的径向力，而且所需倾覆力矩较大时需要较长的加载臂，设备占地面积较大。对称的2个液压缸施加的载荷大小相同，方向相反，理论上不会产生额外的力，而且其占地面积较小，只是对液压系统的同步性控制要求较高。风电轴承试验机的驱动方式大多为电动机+减速器，根据试验轴承的转速、载荷匹配电动机功率和减速器减速比即可。根据试验设备的配置和功能需求进行电控及软件系统的设计及调试。电控系统主要功能包括驱动系统的转速控制，加载系统的载荷控制等。软件系统主要功能包括电气控制逻辑的实现，测试参数的读取、显示、储存等。其中，测试参数包括转速、载荷、倾覆力矩等控制参数以及轴承温度、振动、驱动电流等检测参数。根据各系统功能的分析，确定试验结构方案及布局如图3所示，包括驱动系统、试验轴承、主体、倾覆力矩加载轴承、倾覆力矩作动器、径向/轴向加载轴承、径向/轴向加载作动器等。各轴承的内圈均与轴系安装配合，2套试验轴承的外圈固定在主体上，倾覆力矩加载轴承的外圈与环形布置的倾覆力矩作动器相连，径向加载轴承所处位置为等效的轮毂中心，径向、轴向加载轴承的外圈分别与径向、轴向载荷作动器相连。![]()
图3 试验结构方案图Fig.3 Diagram of test structure scheme主体系统是整个风电机组主轴轴承试验平台的核心部件，主要由主体、试验轴系组件、径向加载组件、轴向加载组件、倾覆力矩加载组件和传感器（温度、振动和力）等组成。试验主体采用受力条件好且内部施工空间大的方箱结构（图3），材料采用铸钢件，输入最大试验载荷进行强度、刚度的校核，结果（图5）表明主体在最大载荷下的应力和变形量均小于许用值，满足试验要求。![]()
图5 试验主体应力及形变图Fig.5 Stress and deformation diagram of test body试验轴系结构如图6所示，包括前轴承、后轴承、转轴、陪试轴承等，通过轴向、径向、倾覆力矩加载系统对试验轴承进行加载。通过对轴系建模、材料属性设置、边界条件设置等在软件中进行轴系结构的强度、刚度分析校核，本文不再详述。![]()
图6 试验轴系结构Fig.6 Structure of test shafting加载轴承根据试验过程中的载荷、转速、安装位置等进行选型，在满足试验时间的前提下以节约成本为准，尽量进行小型化选择。试验平台中的加载系统分为轴向、径向加载系统以及倾覆力矩加载系统。轴向、径向加载共用一套系统，采用电动机泵组提供高压油，通过伺服阀控制进入液压缸中压力油的压力，与液压缸前端的力传感器构成闭环，加载原理如图7所示。根据轴向、径向加载要求选配合适的液压系统元器件和力传感器，通过软件进行载荷控制。![]()
图7 轴径向加载原理图Fig.7 Schematic diagram of axial and radial loading1—加载油箱；2—吸油过滤器；3—电动机；4—加载泵；5—空气滤清器；6—液位计；7—冷却器；8—出油口过滤器；9—溢流阀；10—伺服阀；11—液压缸；12—力传感器。
为满足径向载荷3 000 kN，轴向载荷2 000 kN的要求，选定液压加载系统的压力为28 MPa，最大工作压力为25 MPa，最终确定的径向液压缸型号为CH-400/220×500，轴向液压缸型号为CH-320/180×500。采用环形等距布局12个液压缸的方式［7］，通过控制液压缸加载力的方向、大小实现倾覆力矩加载。系统采用6套电动机泵组控制12个液压缸的动作，每套电动机泵组管路上配备2个伺服阀及2个液压缸。因单次试验时间较长，试验工况大多为恒定载荷，采用伺服电动机带动泵组工作达到设定压力后，系统进入保压阶段，伺服电动机停止工作，达到节能效果。试验过程中，系统根据所需的倾覆力矩自动分配12个液压缸的输出值，采用12个运动控制器控制每个伺服阀的输出压力，与力传感器反馈值构成闭环从而实现各液压缸输出值的准确控制，控制原理如图8所示。为满足倾覆力矩16 000 kN · m的要求，要求单个液压缸输出的最大载荷为2 000 kN，同样选用型号为CH-320/180×500的液压缸。![]()
图8 加载控制原理图Fig.8 Schematic diagram of loading control电控系统以工业控制计算机及可编程控制器（PLC）为核心，由控制驱动单元、测控单元、试验主体、润滑系统测控单元、加载系统测控单元等构成，测控原理如图9所示。加载电动机、供回油泵电动机、主电动机的启/停以及现场信号采集等的控制方式状态显示在计算机界面软面板上，通过操作软面板上的虚拟按键使计算机以通信方式命令PLC输出控制电动机等的启/停；通过PLC上的O口输出数字量信号，控制接触器、继电器等实现电动机启/停动作；系统中各电动机的启停状态等数字量信号通过PLC上的I口读入并以通信方式与计算机进行数据传送，显示在软件界面上。温度、转速、载荷、振动、扭矩等信号由端子板输入计算机内A/D卡接收，显示在软件界面上。![]()
图9 电控系统原理图Fig.9 Schematic diagram of electronic control system通过以上系统的设计，搭建了如图10所示的试验平台。将主机工况转换为轴承疲劳载荷谱，在试验平台上对FD-306/1270和FD-306/2160轴承进行寿命试验考核，目前已完成4 000 h的试验，试验过程无异常，各项参数显示正常。![]()
图10 试验平台外形图Fig.10 Appearance diagram of test platform寿命试验后期，根据相关加速准则进行加速寿命试验考核，前100 h试验的温度数据如图11所示，其中前轴承代表FD-306/2160/P5，后轴承代表FD-306/1270/P5。由图可知：随着试验时间增长，轴承温度缓慢升高并逐步稳定，与后轴承相比，前轴承承受的载荷较大，温度也较高；对于单套轴承，内圈温度比外圈温度高，具体表现是前轴承外圈温度为28.4 ~ 52.3 ℃，内圈温度为30.7 ~ 63.4 ℃；后轴承外圈温度为28.7 ~ 49.2 ℃，内圈温度为31.7 ~ 53.8 ℃。![]()
图11 前100 h试验的温度数据Fig.11 Temperature data for the first 100 h test通过分析风电机组主轴轴承工况条件确定试验平台的技术指标并进行了分系统的功能分析以及实现，搭建的4.5 MW风电机组主轴轴承试验平台结合了主轴轴承的布置、结构和运用环境、工况，可以实现主轴轴承全要素、多工况的综合模拟试验，如寿命试验、加速寿命试验、性能试验等，更加真实地反映主轴轴承的实际运行工况，得到主轴轴承在实际工况下的性能参数和变化趋势，获得主轴轴承结构优化、完善的方向和依据，既最大程度的保证产品设计的可靠性和合理性，又能够缩短试验验证周期，降低产品上线验证带来的成本和风险。1. 韩清凯，温保岗，郭玉飞，等.大功率风电轴承技术进展［J］.轴承，2023（6）：1-13.
2. 邵阳．3.6 m大型风机轴承试验台研发［J］．哈尔滨轴承，2015，36（4）：3-4，11．
3. 陆雪忠，高解农．风电偏航、变桨轴承寿命试验装置研制［J］．价值工程，2010，29（30）：205-206．
4. 田琳．风电主轴轴承试验机设计［J］．哈尔滨轴承，2018，39（2）：25-27，33．
5. 许冬冬，王昆平，温朝杰，等．滚动轴承试验技术概述［J］．轴承，2022（12）：1-7．
6. 刘静．风电变桨轴承摩擦力矩的测量［J］．轴承，2011（6）：42-44．
7. 张俊峰．风电主轴承试验机结构与液压系统的设计分析［D］．大连：大连理工大学，2019．
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Test Platform for Main Shaft Bearings Used in 4.5 MW Wind Turbines
LI Banhu 1,2 ![]()
GU Yunlong 1,2WANG Jian 1,2SHEN Zhixin 1,2ZHU Yuteng 1,2（1. Luoyang Bearing Research Institute Co.， Ltd.， Luoyang 471039， China；2. Henan Key Laboratory of High Performance Bearing Technology， Luoyang 471039， China ）Abstract: The requirements of long life， high reliability and high maintenance costs hinder the batch application of domestic wind turbine main shaft bearings. In order to better simulate the forces of the bearings， the functional requirements of test platform are determined based on service conditions of main shaft bearings for 4.5 MW wind turbines， and the implementation principle is analyzed. The drive system， test body system， loading system， electronic control system and other components are designed and developed， and the platform for the bearings is successfully built. The results show that the platform can meet the monitoring of parameters such as rotational speed， load， temperature， vibration， etc.， and can be used for performance and life test of the bearings， providing an assessment platform for localized application of the bearings.
Keywords: rolling bearing；wind turbines；main shaft；fatigue tester；reliability；life![]()
作者简介：李斑虎（1986—），男，高级工程师，主要研究方向为轴承试验技术及试验设备的开发，E-mail：348275640@qq.com。
中图分类号： TH133.33
文章编号：1000-3762（2024）09-0073-06
文献标识码： B
收稿日期：2023-11-23
修回日期：2024-03-09
出版日期：2024-09-05
网刊发布日期：2024-09-02
