Типы подшипников для ветроэнергетических систем: поворотные, рыскания и главного вала — что подтверждают общие данные по подшипникам качения

Исключите типы, не воспринимающие комбинированную радиальную и осевую нагрузку

Начните с фиксированной стороны. В схеме фиксированная/плавающая опора фиксированный подшипник фиксирует вал в осевом направлении и, следовательно, воспринимает осевую нагрузку в обоих направлениях.

Поэтому он должен быть типа, воспринимающего радиальную и осевую нагрузку одновременно¹⁰. Плавающая сторона — противоположный случай: она воспринимает только радиальную нагрузку и предназначена для компенсации теплового расширения.

Это достигается либо с помощью разъёмного подшипника, воспринимающего только радиальную нагрузку, либо посадкой с зазором между наружным кольцом и корпусом¹⁰. Для фиксированной позиции кандидатами на комбинированную нагрузку, указанными в общих рекомендациях, являются парные радиально-упорные шариковые подшипники, двухрядные радиально-упорные подшипники, двухрядные конические роликовые подшипники (TDO), сферические роликовые подшипники и конические роликовые подшипники^1,10.

Затем степень тяжести нагрузки сужает список: лёгкая комбинированная нагрузка указывает на шариковые подшипники с глубокими канавками или радиально-упорные шариковые, тяжёлая комбинированная нагрузка — на конические роликовые¹⁹. Там, где осевая нагрузка велика в обоих направлениях, рекомендуется объединять два или более подшипников или переходить на двухрядную конструкцию¹⁹.

Это даёт обоснованный первый отбор для позиций поворота, рыскания и главного вала: парные радиально-упорные шариковые подшипники, конические роликовые подшипники и сферические роликовые подшипники проходят проверку на комбинированную нагрузку. А чисто радиальные типы не подходят для фиксированной стороны.

Какой из прошедших отбор подходит для данной ветроэнергетической позиции — это отдельный вопрос, решаемый следующими двумя проверками.

Самоустанавливаемость против грузоподъёмности, и скорость, которой вы платите за нагрузку

Допуск на несоосность и грузоподъёмность действуют в противоположных направлениях, а скоростной рейтинг следует за выбором нагрузки. Сферические роликовые подшипники самоустанавливаются благодаря бочкообразным роликам, катящимся по сферической наружной дорожке качения.

Поэтому они продолжают работать при прогибе вала, одновременно воспринимая тяжёлую комбинированную радиальную и осевую нагрузку⁹. Компромисс — грузоподъёмность: самоустанавливающийся подшипник имеет более низкую грузоподъёмность, чем сопоставимый подшипник с глубокими канавками.

Вот почему его применяют только в случаях, когда соосность действительно невозможно контролировать³⁶. Среди типов для комбинированной нагрузки конический роликовый подшипник воспринимает значительно более высокую комбинированную нагрузку, чем радиально-упорный шариковый подшипник аналогичного размера, но при более низкой максимальной скорости⁹.

Таким образом, порядок выбора для ветроэнергетической позиции следующий. Если вал не может быть выставлен соосно, сферический роликовый подшипник обеспечивает допуск на несоосность ценой грузоподъёмности.

Если соосность контролируется и комбинированная нагрузка велика, конический роликовый подшипник обеспечивает грузоподъёмность ценой скорости. Если скорость доминирует, а комбинированная нагрузка умеренная, парный радиально-упорный шариковый подшипник остаётся в игре^9,36.

Прежде чем зафиксировать тип, выложите на стол фактические условия работы: несоосность, которую может выдержать монтаж, и пиковую комбинированную нагрузку. Также включите максимальную частоту вращения, потому что каждый из трёх кандидатов выигрывает по одному из этих параметров.

Задайте твёрдость дорожек качения как фактор долговечности, а не косметический

Твёрдость должна быть в спецификации, потому что она влияет на расчётный ресурс. Сообщается, что подшипники поворота и рыскания подвергаются цементации до примерно 58 HRC или индукционной закалке до примерно 56 HRC.

И сообщается, что изменение твёрдости дорожки качения с 58 до 56 HRC снижает ресурс L10 на 30%¹⁸. Таким образом, две единицы по шкале твёрдости стоят примерно трети расчётного ресурса.

Это делает указание термообработки и её проверку критически важным для проектирования, а не деталью цеха. Обычная подшипниковая сталь находится в другой точке.

Высокоуглеродистая хромистая сталь (GCr15/AISI 52100, примерно 1% углерода и 1,5% хрома) достигает HRC60+ при правильной термообработке, обеспечивая высокую износостойкость и усталостную прочность¹¹. Это метод сквозной закалки, тогда как приведённые выше ветроэнергетические значения относятся к поверхностям, подвергнутым цементации и индукционной закалке¹⁸.

Не следует предполагать, что эти два подхода взаимозаменяемы. Попросите поставщика указать процесс упрочнения, целевую твёрдость поверхности и глубину упрочнённого слоя для дорожки качения подшипника поворота или рыскания.

Также попросите предоставить результаты измерения твёрдости для каждого подшипника, а не только сертификат на материал. Является ли сквозная закалка дорожки качения из 52100 до HRC60+ приемлемой для ветроэнергетических подшипников поворота или рыскания, эти источники не устанавливают.

Зафиксируйте основу расчёта ресурса до сравнения предложений

Два предложения на подшипники сопоставимы только в том случае, если оба значения L10 рассчитаны одинаково. Комбинированные радиальные и осевые нагрузки должны быть сначала преобразованы в эквивалентную динамическую нагрузку P.

Это преобразование зависит от отношения радиальной нагрузки к осевой и от угла контакта подшипника, прежде чем P сравнивается с базовой динамической грузоподъёмностью C²¹. Затем формула номинального ресурса использует показатель степени 3,0 для шариковых подшипников и 10/3 для роликовых²¹.

Надёжность изменяет указываемое число. L10 — это базовый уровень надёжности 90% с a1 = 1,00; для целевого уровня 95% используется a1 = 0,64, а для 99% — a1 = 0,25.

И если скорректированный ресурс неприемлем, ответом является подшипник с большей динамической грузоподъёмностью⁸. Чувствительность к нагрузке велика: удвоение эквивалентной динамической нагрузки снижает расчётный ресурс L10 примерно до одной восьмой³⁶.

Запишите основу в запрос предложения — метод эквивалентной нагрузки, показатель степени, целевой уровень надёжности и коэффициент a1 — и попросите каждого поставщика вернуть L10 (или Ln) с указанием входных данных. Без этого более длительный заявленный ресурс может означать лишь другое допущение о надёжности.

Выберите семейство уплотнений по скорости, затем запросите схему смазки

Выбор уплотнения следует за частотой вращения вала и температурой в большей степени, чем за нагрузкой. Бесконтактные уплотнения — щелевые, лабиринтные и прокладочные — подходят для высокоскоростных и высокотемпературных позиций.

Контактные уплотнения, такие как войлочные, кожаные манжеты и резиновые конструкции, подходят для средних и низких скоростей²⁶. Резиновые уплотнения препятствуют проникновению пыли и воды и удерживают смазку, что является аргументом в их пользу во влажной или загрязнённой среде²⁶.

Для высокоскоростной ветроэнергетической позиции это указывает на лабиринтную или щелевую концепцию. Для медленно вращающейся позиции, подверженной воздействию погоды, следует оценивать семейство контактных уплотнений.

Чего доказательства не дают, так это метода смазки или интервала обслуживания, фактически используемых на подшипниках поворота, рыскания или главного вала. Поэтому рассматривайте выбор консистентной смазки или масла и интервал повторной смазки как данные поставщика, которые нужно запросить, а не предполагать.

Проверки перед запросом предложения, которые не позволяют принять предложение только по типу

Правильный тип подшипника — это начало спецификации, а не её конец. Эти проверки закрывают пробелы, которые оставляет обозначение типа.

• ✓Укажите класс точности явно — классы JIS B 1514 идут 0, 6X, 6, 5, 4, 2 в порядке возрастания точности, и класс основан на стандартах ISO.
• ✓Требуйте указания процесса упрочнения, целевой твёрдости поверхности и глубины упрочнённого слоя для дорожек качения подшипников поворота и рыскания с результатами измерений для каждого подшипника.
• ✓Зафиксируйте основу расчёта ресурса в запросе предложения: метод эквивалентной динамической нагрузки, показатель степени для шариковых или роликовых подшипников, целевой уровень надёжности и коэффициент a1.
• ✓Назовите семейство уплотнений (бесконтактное лабиринтное или щелевое против контактного резинового) и скорость и температуру, которые оно должно выдерживать.
• ✓Спросите, нужны ли нестандартный диаметр сепаратора или комплект роликов, поскольку уникальная оснастка может быть дорогой независимо от пригодности.
• ✓Попросите поставщика подтвердить метод смазки и интервал повторной смазки для позиции, поскольку источники их не указывают.

Почему усилия по спецификации оправданы

Выбор подшипника несёт риск затрат, несоразмерный с количеством деталей. Более 60% отказов редукторов приписывают подшипникам.

Хотя эти отказы случаются реже, чем электрические неисправности, их гораздо дороже устранять¹⁸. Это аргумент в пользу того, чтобы тратить усилия на спецификацию твёрдости, основы расчёта ресурса и уплотнений до заказа, а не после отказа.

Эта цифра относится к атрибуции отказов редукторов, а не к статистике надёжности ветроэнергетических установок. Поэтому используйте её для обоснования усилий, а не для прогнозирования срока службы.

Где данные о твёрдости расходятся, и что требовать

Две приведённые ниже позиции по твёрдости описывают разные процессы и разные применения, и источники не согласуют их для ветроэнергетической работы. Держите обе видимыми, когда пишете пункт о термообработке.

Перед запросом предложения

• Источники оставляют этот вопрос открытым — задайте его поставщику: нет внутренней геометрии, специфичной для pitch- или yaw-подшипников (четырёхточечный контакт, трёхрядные ролики), а также конструкции дорожек качения и монтажа.
• Источники оставляют этот вопрос открытым — задайте его поставщику: нет схемы установки подшипника главного вала и фактических динамических или статических грузоподъёмностей для подшипников главных валов ветротурбин.
• Запросите полную спецификацию с единицами измерения, условиями испытаний и принятыми допущениями по конфигурации.
• Источники оставляют этот вопрос открытым — задайте его поставщику: нет схемы уплотнения или смазки ветровых подшипников, выбора между пластичной и жидкой смазкой, автоматических смазочных устройств или интервалов обслуживания.
• Источники оставляют этот вопрос открытым — задайте его поставщику: нет требования сертификации DNV GL или IEC 61400, а также специфичных для ветроэнергетики валидации конструкции, испытаний на ресурс или спектра нагрузки.
• Источники оставляют этот вопрос открытым — задайте его поставщику: нет класса точности ветрового подшипника, метода контроля, требования прослеживаемости или производственной мощности.
• Подтвердите поимённо указанное сервисное покрытие, ожидания по времени реакции и гарантийные условия для вашего рынка.
• Источники оставляют этот вопрос открытым — задайте его поставщику: нет полевых данных о ресурсе L10, видах отказов или MTBF от сопоставимых установок.