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作者：Biswanath Nandi, Douglas Lucas 供稿：铁姆肯公司
摘要：本文介绍了一种可供风电齿轮箱使用的新型轴承——定位轴承。这种轴承提供了一种解决方案，它可以解决现在风电齿轮箱高速输出轴和中间轴的常用的轴承所遇到的性能、成本和效率等问题。定位轴承将单列圆锥滚子轴承（TRB）（正向扭矩状态期间，这种轴承通过轴承滚道支承着主要的径向和轴向力载荷）与精心设计的挡圈（它支承着反向扭矩状态下的推力载荷，例如制动力和电动回转力）结合一起。这种单列轴承可以代替的两列圆锥滚子轴承、一个双列圆锥滚子轴承、或一个四点接触球轴承（FPCBB）和一个圆柱滚子轴承（CRB）相组合的轴承布置。定位轴承所占的轴向空间少，它改进了输出轴效率，并提高了输出轴系统的性能。
前言：有时，齿轮箱输出轴在输出轴和中间轴的固定端，布置有一个 NU 型 CRB 轴承和一个轴向定位的四点接触的球轴承（见图1）。CRB 轴承仅支承着径向载荷，而 FPCBB 轴承则支承着系统中的全部轴向载荷。
前言：有时，齿轮箱输出轴在输出轴和中间轴的固定端，布置有一个 NU 型 CRB 轴承和一个轴向定位的四点接触的球轴承（见图1）。CRB 轴承仅支承着径向载荷，而 FPCBB 轴承则支承着系统中的全部轴向载荷。
如以上图 2 所示，显示了另一种轴承布置在固定的位置，采用两列（相似的或非相似的系列）TRB 轴承作为 FPCBB 和 CRB 的组合轴承的替代轴承。当你采用这一设计时，为了确保双列轴承在全部的操作条件范围期间有足够的载荷区，应特别注意选择合适的滚道倾角。
现有轴承的不足之处
以点接触方式设计的 FPCBB 轴承主要用于支承径向载荷，在某种程度上, 它适用于支承中等程度的推力载荷。但这种轴承设计用于支承恒定和波动的齿轮推力载荷却并不理想，在风电正常操作期间，上述推力载荷是普遍存在的。在单纯的轴向载荷下，球体在某一角度与滚道相接触，并通过该接触角的位置转动，但在同时，还要围绕着轴的中心线而转动。球体的这一动作会在球体和滚道之间产生轻微的滑移，从而导致从表面开始的损坏现象，例如，出现如图3所示的表面剥落。
现有轴承的不足之处
以点接触方式设计的 FPCBB 轴承主要用于支承径向载荷，在某种程度上, 它适用于支承中等程度的推力载荷。但这种轴承设计用于支承恒定和波动的齿轮推力载荷却并不理想，在风电正常操作期间，上述推力载荷是普遍存在的。在单纯的轴向载荷下，球体在某一角度与滚道相接触，并通过该接触角的位置转动，但在同时，还要围绕着轴的中心线而转动。球体的这一动作会在球体和滚道之间产生轻微的滑移，从而导致从表面开始的损坏现象，例如，出现如图3所示的表面剥落。
而且，球轴承的外圈与轴承座的装配须是完全松配合，以防止任何径向载荷传入该轴承内。为此，该轴承还必须带有诸如键槽一样的特征以防止外圈的转动，而定位轴承则不同，它只要求在轴承座凸肩与端盖之间紧紧地夹住。
虽然，图 2 所示的布置避免了球轴承设计的不足之处，但是，在双列轴承 TRB 设计中，需要使两列轴承同时保持有足够大的载荷区和维持一定的牵引力。这在设计中需注意，并要在实践中实现。
定位轴承设计
图 4 表示了典型的定位轴承设计。在图 5 中， 定位轴承应固定在轴的右端，支承来自齿轮的径向载荷和推力载荷，而 NU 型 CRB 轴承在另一侧作为浮动端轴承。定位轴承是一种高性能、双向的轴承，它取代了图1中的 CRB 轴承和 FPCBB 轴承组合。它也可是另一种解决方案，以替代某些设计中所采用的交叉定位的单列轴承布置或称双列 2TS-DMTRB 轴承布置。这种轴承在单列圆锥滚子轴承基础上，在外圈处附加一挡环。
图 6 说明了定位轴承是如何双向地支承着推力载荷。以粗箭头线表示的主要推力是载荷谱中 99% 以上的时间正向的扭矩状态下来自斜齿轮产生的轴向力。在正向扭矩状态期间，载荷的支承是通过轴承滚道实现的，而圆锥滚子轴承的特殊结构可使滚子纯滚转运动，很好的承受复合载荷，且滚子不产生任何球轴承会产生的微小滑移。
定位轴承设计
图 4 表示了典型的定位轴承设计。在图 5 中， 定位轴承应固定在轴的右端，支承来自齿轮的径向载荷和推力载荷，而 NU 型 CRB 轴承在另一侧作为浮动端轴承。定位轴承是一种高性能、双向的轴承，它取代了图1中的 CRB 轴承和 FPCBB 轴承组合。它也可是另一种解决方案，以替代某些设计中所采用的交叉定位的单列轴承布置或称双列 2TS-DMTRB 轴承布置。这种轴承在单列圆锥滚子轴承基础上，在外圈处附加一挡环。
图 6 说明了定位轴承是如何双向地支承着推力载荷。以粗箭头线表示的主要推力是载荷谱中 99% 以上的时间正向的扭矩状态下来自斜齿轮产生的轴向力。在正向扭矩状态期间，载荷的支承是通过轴承滚道实现的，而圆锥滚子轴承的特殊结构可使滚子纯滚转运动，很好的承受复合载荷，且滚子不产生任何球轴承会产生的微小滑移。
图 4 典型的定位轴承的设计
然而，高压电网或发电机的临时故障，以及在实施制动程序期间的共振，会迫使驱动机扭矩和齿轮在短时间内产生反向轴向力。另外，也有其它的情况，如：当发电机当作电动机使用、为便于维护而在低速下驱动透平转子时；以及在临界速度下的低速风时。所有以上这些条件都需要定位轴承支承在次要方向上，以细箭头线（见图6）表示的轴向载荷。这一次要轴向载荷通过滚子的大、小端传向内圈挡边、外圈挡环。
定位轴承的主要特点和益处为：
（1）减少了轴向空间：单列轴承替代了常规双列轴承布置，减小了设计空间，因而，也降低了重型齿轮箱箱体要求的长度和重量。
（2）与现行的设计结构相匹配。
（3）在 360°u36733X荷区工作的定位轴承具有对中特性，因而改善了齿轮接触定位。
（4）降低系统的成本。
（5）降低应力，提高轴承的寿命：在正常运行期间即正向扭矩期间，轴承在 360°u36733X荷区运行，所有滚子都与滚道相接触受力如图 7 所示。
（1）减少了轴向空间：单列轴承替代了常规双列轴承布置，减小了设计空间，因而，也降低了重型齿轮箱箱体要求的长度和重量。
（2）与现行的设计结构相匹配。
（3）在 360°u36733X荷区工作的定位轴承具有对中特性，因而改善了齿轮接触定位。
（4）降低系统的成本。
（5）降低应力，提高轴承的寿命：在正常运行期间即正向扭矩期间，轴承在 360°u36733X荷区运行，所有滚子都与滚道相接触受力如图 7 所示。
（6）根据齿轮系统引起的径向载荷（Fr）和轴向载荷（Fa）两者的比率关系，可以对滚道/滚子的接触角度进行优化。在轴承设计时要做到由定位轴承产生的诱导轴向力总比齿轮推力小些。由于轴承的反作用力和齿轮轴向的比率在负荷周期内保持不变，因此, 齿轮轴向力总是足以定位圆锥滚子（见图 8）。
（7）同时在外圈的任意一侧都可提供较小的法兰，以防止在组装时出现反向装配的可能性（见图 9）。
（7）同时在外圈的任意一侧都可提供较小的法兰，以防止在组装时出现反向装配的可能性（见图 9）。
（8）轴承游隙在制造时就精确地设置，因此，在装配时，无需进行轴承游隙的手动调节。
（9）AGMA 6006 标准限制了在风电齿轮箱内双向定位的应用中使用单列 TRB 的轴承布置。该应用时，必须精确的控制轴承的径向间隙范围或轴承中的轴向游隙，以确保在所有的操作载荷和温度条件的范围内，保持适当的运行游隙。由于固定端的定位轴承是与浮动端的 NU 型 CRB 轴承联合使用的，因此，不需为了保持适当的运行间隙而进行手动调节。
（10）根据 AGMA 6006 规范的要求，对于风电的设计寿命为 20 年的场合，当量载荷下允许的最大接触应力不应超过 1300 MPa （对高速轴轴承）和1650 MPa（对高速中间轴轴承）。典型的分析表明：对于既支承径向载荷又支承轴向载荷的、载荷区为 360 °u30340X定位轴承，其接触应力小于1300 MPa（与仅承受轴向载荷的 FPCBB 轴承相同），但比仅承受径向载荷的、但较小载荷区的CRB 轴承的应力要小得多（见图10）。
（9）AGMA 6006 标准限制了在风电齿轮箱内双向定位的应用中使用单列 TRB 的轴承布置。该应用时，必须精确的控制轴承的径向间隙范围或轴承中的轴向游隙，以确保在所有的操作载荷和温度条件的范围内，保持适当的运行游隙。由于固定端的定位轴承是与浮动端的 NU 型 CRB 轴承联合使用的，因此，不需为了保持适当的运行间隙而进行手动调节。
（10）根据 AGMA 6006 规范的要求，对于风电的设计寿命为 20 年的场合，当量载荷下允许的最大接触应力不应超过 1300 MPa （对高速轴轴承）和1650 MPa（对高速中间轴轴承）。典型的分析表明：对于既支承径向载荷又支承轴向载荷的、载荷区为 360 °u30340X定位轴承，其接触应力小于1300 MPa（与仅承受轴向载荷的 FPCBB 轴承相同），但比仅承受径向载荷的、但较小载荷区的CRB 轴承的应力要小得多（见图10）。
定位轴承结构
标准的定位轴承的保持架是上中心线形式，该保持架将滚子限定在内圈上。另一方面，定位轴承也可使用下中心线保持架，该保持架将滚子限定于外圈。这一配置可配备两个独立的挡环（见图11）。哪种结构更适合，在很大程度上取决于齿轮箱装备工序，且当重型中间轴是竖直装入箱体就位时，这种结构特别有用。
标准的定位轴承的保持架是上中心线形式，该保持架将滚子限定在内圈上。另一方面，定位轴承也可使用下中心线保持架，该保持架将滚子限定于外圈。这一配置可配备两个独立的挡环（见图11）。哪种结构更适合，在很大程度上取决于齿轮箱装备工序，且当重型中间轴是竖直装入箱体就位时，这种结构特别有用。
高速轴常会碰到使用中的维护，且其也频繁。在维护期间，完整的输出轴组件及所附的定位轴承可以
滑出箱体，相似于现今进行日常维护。
抗杂质轴承
风电齿轮箱通常会出现轴承和齿轮受到过早损坏和疲劳，这种损坏和疲劳现象缘于杂质硬粒对关健的接触表面产生的压痕。由于输出轴经受更多的转动，该轴的轴承甚至因杂质的影响而更加容易受到损坏。因此，为了提高输出轴的可靠性，定位轴承可配备抗杂质的轴承材料，并对滚子表面涂以 ES300 涂层，使其可靠性达到最大化。以下图 12 表示了这样一組、具有统计意义的实验结果，当涂覆了ES300 涂层时，轴承寿命可提 4.5 倍。
抗杂质轴承
风电齿轮箱通常会出现轴承和齿轮受到过早损坏和疲劳，这种损坏和疲劳现象缘于杂质硬粒对关健的接触表面产生的压痕。由于输出轴经受更多的转动，该轴的轴承甚至因杂质的影响而更加容易受到损坏。因此，为了提高输出轴的可靠性，定位轴承可配备抗杂质的轴承材料，并对滚子表面涂以 ES300 涂层，使其可靠性达到最大化。以下图 12 表示了这样一組、具有统计意义的实验结果，当涂覆了ES300 涂层时，轴承寿命可提 4.5 倍。
限制
虽然，定位轴承最适用于高速、低轴向力环境，例如，齿轮箱高速轴和高速中间轴，但它也有一些的限制：在任何条件下，这种轴承不允许对其进行预紧。与主要方向上通过滚道轴向承载能力相比，在次要方向上通过挡边的轴向承载能力是有限的。这种较小的轴向承载能力与可用于风电齿轮箱内的其它位置NJ 型 CRB 轴承的轴向承载能力是十分相似的。同时，值得指出的是：类似定位轴承这样的双向轴承已应用于许多汽车和空间技术领域，反映出它们在次要方向上推力载荷的应用是十分成功的。载荷和速度的操作准则，已经顺利的建立了。现在，对风电齿轮箱设计者的主要挑战是：能否确定风电的负荷周期，使定位轴承的性能能在所有已知的环境下进行评估。最后，还应进行齿轮箱的定位轴承的应用试验，来验证它的性能。对任何一种设计，看它是否可行，都要看它是否经得住实践的考验。
结论
正当人们发现：四点接触的球轴承和NU型圆柱滚子轴承的组合式轴承，在风电齿轮箱的高速输出轴位置具有广阔的用途时，输出轴轴承可靠性仍然是整个系统中的一个薄弱点。专业人员已认识到：存在其它可以使用的、更加合适的轴承布置，例如，固定端使用双列圆锥滚子轴承正受到人们的青睐。定位轴承被认为是另一种可以在输出轴固定端的轴承替代方案。比起双列轴承更窄的轴承方案，它为设计者提供了一种可以降低齿轮箱长度和重量的选择。由于采用了以单列轴承替代双列轴承的原因，与两列 TRB 轴承布置相比，其效率大约提高了30-50%。因为，在所有正向扭矩状态下，定位轴承始终在 360载荷区范围内运行, 所以，轴的位移量达到了最小化，齿轮接触状态不再与轴承间隙有关。在滚子非定位的状态下也不必担心滚道会受到污染物磨损。虽然，在使用双向轴承（例如定位轴承）上，在其他领域已经有很多经验，但为了验证其在风电应用上可用性，还必须要进行现场试验，因为，在风机齿轮箱中存在着许多瞬变的条件，而在设计阶段这些瞬变的条件尚是不可预计的。另外，详细的分析和实验室的试验在作者公司内仍将继续进行，以便更好地理解：如何将这一很有价值的轴承应用于风机齿轮箱和轴支承场合。
致谢
我们在此特别感谢Gerald Fox 的指导，以及Russel Smith、Michelle Cadile、Srikanth M 和Subramanya Bhatt（铁姆肯公司）对本文撰写做出的贡献。
参考文献：AGMA 6006
虽然，定位轴承最适用于高速、低轴向力环境，例如，齿轮箱高速轴和高速中间轴，但它也有一些的限制：在任何条件下，这种轴承不允许对其进行预紧。与主要方向上通过滚道轴向承载能力相比，在次要方向上通过挡边的轴向承载能力是有限的。这种较小的轴向承载能力与可用于风电齿轮箱内的其它位置NJ 型 CRB 轴承的轴向承载能力是十分相似的。同时，值得指出的是：类似定位轴承这样的双向轴承已应用于许多汽车和空间技术领域，反映出它们在次要方向上推力载荷的应用是十分成功的。载荷和速度的操作准则，已经顺利的建立了。现在，对风电齿轮箱设计者的主要挑战是：能否确定风电的负荷周期，使定位轴承的性能能在所有已知的环境下进行评估。最后，还应进行齿轮箱的定位轴承的应用试验，来验证它的性能。对任何一种设计，看它是否可行，都要看它是否经得住实践的考验。
结论
正当人们发现：四点接触的球轴承和NU型圆柱滚子轴承的组合式轴承，在风电齿轮箱的高速输出轴位置具有广阔的用途时，输出轴轴承可靠性仍然是整个系统中的一个薄弱点。专业人员已认识到：存在其它可以使用的、更加合适的轴承布置，例如，固定端使用双列圆锥滚子轴承正受到人们的青睐。定位轴承被认为是另一种可以在输出轴固定端的轴承替代方案。比起双列轴承更窄的轴承方案，它为设计者提供了一种可以降低齿轮箱长度和重量的选择。由于采用了以单列轴承替代双列轴承的原因，与两列 TRB 轴承布置相比，其效率大约提高了30-50%。因为，在所有正向扭矩状态下，定位轴承始终在 360载荷区范围内运行, 所以，轴的位移量达到了最小化，齿轮接触状态不再与轴承间隙有关。在滚子非定位的状态下也不必担心滚道会受到污染物磨损。虽然，在使用双向轴承（例如定位轴承）上，在其他领域已经有很多经验，但为了验证其在风电应用上可用性，还必须要进行现场试验，因为，在风机齿轮箱中存在着许多瞬变的条件，而在设计阶段这些瞬变的条件尚是不可预计的。另外，详细的分析和实验室的试验在作者公司内仍将继续进行，以便更好地理解：如何将这一很有价值的轴承应用于风机齿轮箱和轴支承场合。
致谢
我们在此特别感谢Gerald Fox 的指导，以及Russel Smith、Michelle Cadile、Srikanth M 和Subramanya Bhatt（铁姆肯公司）对本文撰写做出的贡献。
参考文献：AGMA 6006
