作者：劉溯 高級應用工程師
（鐵姆肯公司）
1 引言
風機齒輪箱是連接風機主軸（zhóu）和發電機的傳動部件，其將主軸的低（dī）轉速的輸入轉化成中速或高速發電機所需的輸（shū）出，是（shì）風機中的重要部件之一。由於風機齒輪箱的複雜工況及對可（kě）靠性等方麵的高要求，風機齒輪箱（xiāng）的設計及應（yīng）用，尤其是其中作為關鍵零件的軸承的選型、安裝及使用顯得尤為重要。不恰當的軸承選型或是不當的安裝和使用，會（huì）導致軸承（chéng）的（de）各種損傷和（hé）失效模式，甚至還可能會損傷（shāng）到齒輪箱裏其他的零部件。這些損傷和失效都會直接或間接的導致風機停機，不但影響生產率，還會產生計劃外的更換和維護成本。鐵姆（mǔ）肯公司可針對（duì）多種常見失效模式提供有效解（jiě）決（jué）方案。
2 風機齒輪箱軸承常見失效模式及解決方案
風機齒（chǐ）輪箱設計多種多樣，但是基本上都是由行星級和平行級組成。本文以（yǐ）目前比較常見的一種以行星架為（wéi）輸入，內（nèi）齒圈固定，太陽輪輸出並傳遞到平行（háng）級的設計為例，分析說明常（cháng）見的（de）軸承失效模式及相應的解決（jué）方案。
2.1 行星（xīng）架軸承
2.1.1 常見失效模式
行星架軸承的選型和應用是和主軸的設計（jì）相關（guān）的（de）。目前常（cháng）見的行星架軸承是滿裝滾（gǔn）子的圓柱滾子軸承。如果主軸軸（zhóu）承選用（yòng）調心滾子軸承，不論是單個調心滾子主軸軸承的3點支承設（shè）計還是兩個調心滾子主軸軸承的（de）4點支承設（shè）計，由於調心滾子（zǐ）軸承徑向和軸向遊（yóu）隙的存在（如圖1所示），當（dāng）風機在刹車或是其他出現軸向載荷交替變換方向的工況時，主軸及其後麵（miàn）連（lián）接的行星架在軸向可能會有竄動。此時（shí）如果使用圓柱滾子軸承作為行（háng）星架軸承，由於其內外圈在軸向方向上有（yǒu）一定的相對錯位空間，因此來自主軸的軸向竄動會傳遞到行星架的圓柱滾子軸承，而如果竄動量足夠大，則對圓柱滾子軸（zhóu）承會（huì）造成衝（chōng）擊。而且，由於內齒（chǐ）圈和齒輪箱箱體是連成一體的，所以行星輪和行星（xīng）架一（yī）起軸向竄（cuàn）動還會對行星輪造成齒麵磨損（如（rú）圖2所示（shì））。
圖1 主軸軸承 - 調心滾子軸承及遊隙
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圖2 主軸軸向竄動對行星輪及行星架軸承的影響
2.1.2 解決方案
鐵（tiě）姆肯公（gōng）司推薦選用單列圓錐滾子軸承跨裝，通過對圓錐滾子（zǐ）軸（zhóu）承預緊來解決主（zhǔ）軸軸向竄動對行星輪的影響。而且預緊的圓錐滾子（zǐ）軸承的承載區得到（dào）優化，減（jiǎn）少了滾道應力，提高了行星輪係的剛性（xìng），並可以承受外部傳遞入齒輪箱行（háng）星架端的額外軸（zhóu）向力（如圖3所示）。
圖3 行星架的預緊（jǐn）圓錐（zhuī）滾子軸承
2.2 行星輪軸承
2.2.1 常見失效（xiào）模式（shì）
常見的一種行星輪軸承是由一對雙列圓柱滾子軸承（chéng）組成（如圖4所示）。在軸承外圈和行星輪內孔之間過盈配合量不足或是由於齒輪變形而使（shǐ）兩者接觸（chù）麵積減少的情況下，會出現外圈跑（pǎo）圈和磨損。
對於斜齒行星輪設計而言，由於行星輪與內齒圈和太陽輪同時齧合（hé）的時候受到（dào）大小相同、方向相反的軸向力，所產（chǎn）生的傾覆力矩使得外側的兩列滾子承載較大，中間兩列滾子承載較小。四列滾子之（zhī）間的載荷分（fèn）布不均勻使得實際使用壽命有（yǒu）一定（dìng）差別，在相同設計壽命（mìng）的前提下，外側兩列會提前出現疲勞剝落。
圖4 行星輪 – 四列圓柱滾子軸承
圖5 Timken®集成式柔性銷組件
2.2.2 解決方案
Timken®集成式柔性銷行星輪組件（如圖5所示）是提高行星（xīng）級（jí）可靠性的Z佳方案之一。齒（chǐ）輪和軸承外（wài）圈集成於一體，杜絕了外圈跑圈的可能性，同時有更多的內部空間設計更（gèng）多、更大的滾子來提高承載能力。通過預緊兩列圓（yuán）錐滾（gǔn）子使其承載區得到優化，降低了應力和滾子打滑的幾率，使載荷更均勻的分布在兩列。柔性銷設計允許（xǔ）行星輪組件在運行中產生柔性的偏移，保證（zhèng）齒麵有很高的齧合率，特別（bié）是對多（duō）個行星輪的設計，使得各行星（xīng）輪之間的載荷（hé）分布更均勻，而且還可以降低加工和（hé）裝配的精度要求。
2.3 高速軸軸承
2.3.1 常見失效（xiào）模式
圓柱滾子軸承及四點接觸球軸承組合在高（gāo）速級的應用中是較為常見的一種。在高速和低載的情況下，圓柱滾子軸承容易出現滾子打滑和滾道滑傷，而球軸承可能會（huì）出現滑傷和微剝落的損傷。
2.3.2 解決方案
鐵姆（mǔ）肯公司（sī）提出帶抗磨塗層的圓柱滾（gǔn）子（zǐ）軸（zhóu）承和單列圓錐（zhuī）滾子定位軸承（如圖（tú）6所示）。帶抗磨塗層的圓（yuán）柱滾子軸承在整（zhěng）個壽（shòu）命周期的運行中既能持續地防止滑傷，也可以（yǐ）防止由於潤滑劑裏含雜質而造成滾道傷害以及潤滑不良的情況（kuàng）。單（dān）列圓錐滾子定位軸承可以承受徑向及雙向的軸向載（zǎi）荷，其純滾動的（de）特性將（jiāng）滑傷的可能性降至Z小。
圖6 高速軸軸承解決方案 3 總結
隨著風力（lì）發電裝備行（háng）業的迅猛發展，特（tè）別是大功率風機日趨主流，風機及零部件的（de）可靠性將是研發中關注的重點。本文介紹的齒輪箱軸承常見失效模式及其解決方案（àn），旨在幫助設備製造商選取更適合風機齒（chǐ）輪箱應用（yòng）的軸承（chéng）解決方案，力求（qiú）不斷優化齒輪箱的設計，使齒輪箱乃至整機的可靠性得到大幅的提升。
