风力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种风力发电机的轴承保护用加热装置及其轴承系统，属于风力发电技术领域。
【背景技术】
[0002]在永磁直驱外转子风力发电机的轴系中，定子主轴与转子的动轴之间通常设置有轴承，轴承处设置有轴承润滑脂。
[0003]1、轴承润滑的作用
[0004]滚动轴承由于制造精度的偏差和承载时轴承的各个零件的变形引起的偏差，造成滚动体与滚道之间、滚动体与保持架之间、保持架与内外圈之间的直接接触和滑动摩擦。这种滑动摩擦的大小，与轴承的转速、轴承的载荷有关。当转速增加、载荷加大时，摩擦力相应增大。反之，减少。滑动摩擦力愈大轴承的各个零件磨损愈快，其使用寿命和工件精度也就显著降低。为了延长轴承的使用寿命，现有技术中通常对轴承施以润滑，这样可以较好地解决上述问题。其中，润滑不仅有降低摩擦阻力、减轻磨损的作用，还有冷却、散热、清洗、密封、减震、防锈的功能。
[0005]润滑脂的耐温性能取决于基础油和稠化剂的热稳定性和两者所决定的润滑脂的相状态。在基础油合适的情况下，润滑脂的耐温性能基本上是决定于稠化剂的种类。一般来说，钙基润滑脂的最高使用温度约60°C，钠基润滑脂约100°C，锂基润滑脂约120°C。稠度对润滑脂耐温性能的影响不大。在低温条件下，应尽可能使用低稠度润滑脂。重要的是基础油的低温粘度要小，凝点要低。
[0006]2、润滑脂在轴承中的运动情况
[0007]随着轴承的旋转，填充在滚动轴承里的润滑脂的运动大体上可分为两个阶段。在一般情况下，轴承里的润滑脂的填充量总是超过直接参与轴承旋转的实际需要量。在轴承运转的初期阶段，大部分润滑脂很快(不到Imin)就被挤出滚道，被挤出的润滑脂堆积在保持架上和轴承护盖的空腔之中，并在滚动体外围形成一个轮廓。在此过程中，由于多余润滑脂的阻力，轴承温度很快上升。大部分多余的润滑脂在运转初期即被挤出，挤在滚道附近的润滑脂也仍有可能被转动着的滚动体带进滚道之间，这些润滑脂在随着轴承转动体循环转动的同时，陆续少量排出。这时轴承温度仍然继续上升，称为润滑脂的走合阶段，根据轴承结构中润滑脂质量、填充量等因素，这段时间可能持续十几分钟，甚至几小时。当多余的润滑脂完全被排出之后，剩下的少量润滑脂在滚动体、滚道、保持架的相互接触面上，通过尖劈作用形成薄薄的一层润滑脂膜，从而进入轴承的正常运转阶段。这时温度逐渐下降并达到平衡状态。也就是说，长期的润滑作用主要是依靠这层润滑膜来承担。此外，在轴承的长期运转过程中，滚动体和滚道近旁的轮廓上以及保持架上的润滑脂要萎缩而分出一部分基础油，基础油溜进滚道之间后，对润滑也有一定的补充作用。各种不同的润滑脂在轴承中形成轮廓的能力是不一样的，较为理想的润滑脂要形成轮廓比较挺拔，走合时间短，在长期的运转中轴承温度低，而且平稳。润滑脂的成渠性非常重要，只有“流态化”才能保证成渠性。当润滑脂冻结、或接近冻结状态时，润滑脂便会堆积、结块，失去应有的润滑作用。直驱外转子风力发电机主轴轴承的寿命关系到整台发电机的寿命。更换润滑脂、清洗轴承比较困难。轴承附近局部周围有限空间工作环境空气温度变化范围(_45°C —+65°C )，低温状态下润滑脂的流动性非常差，轴承中被挤出的润滑脂将很难再回到滚道中参与润滑。
[0008]3、滚动轴承滚子打滑机理研宄
[0009]研宄结果显示:滚动轴承内圈转速和径向载荷对滚子打滑率影响显著。在相同内圈转速和径向载荷下，增加内圈与轴的过盈配合产生的压力可降低滚子的打滑率。目前对滚动轴承打滑的研宄主要集中在轴向载荷下轴承的打滑特性、高速轻载情况下滚动轴承打滑特性以及防止打滑的措施等方面，也有研宄径向载荷下滚动体进入承载区的“咬入”打滑特性。滚动体进入承载区打滑是一种常见的打滑现象，容易造成轴承内、外圈在承载区初始段及滚动体的擦伤和磨损，即:滚动体咬入打滑问题。滚动体刚进入承载区时，滚动体突然受到载荷作用，会出现打滑现象。这种打滑在滚动轴承工作过程中经常出现，它所造成的擦伤是滚动轴承常见的损伤形式之一。现有文献并没有反映风电领域，直驱永磁外转子发电机(问题在于处发电机在机舱外)当润滑脂冻结或失去“流态化”后，突然来风时强行启机会造成承载区滚动体打滑的研宄，轴承内圈与主轴之间的过盈量减少的研宄。
[0010]4、滚动轴承打滑原因分析
[0011]滚动轴承运转时，要保证滚动体在内、外圈滚道上纯滚动运动，需要使滚动体与内圈之间有足够大的摩擦力以克服阻力，否则，滚动体就会在滚道上打滑。滚动轴承内部的运动关系比较复杂，滚动体既要绕自身轴线旋转，又要绕轴承轴线公转。在滚动的同时，沿滚道还伴随着一定的滑动。
[0012]轴承靠过盈配合与轴进行联接。据不完全统计，在轴类传动零件失效中，有30%是轴与轴承内圈发生相对转动，产生联接失效。在轴与轴承圈产生相对转动的情况下，轴颈与轴承内圈处于摩擦状态，最终使轴颈尺寸小于内圈尺寸，造成过盈量“丢失”，轴颈安装面报废，内圈报废。
[0013]在滚动轴承润滑脂已经冻结或失去“流态化”的情况下，由于滚动体和保持架之间的润滑脂状态导致阻力增加很多，滚动体与内圈间的摩擦力无法支撑启动时的阻力而容易产生滚动体及其保持架整体打滑。润滑脂冻结或失去“流态化”后，承载区滚动体打滑的原因主要有:①滚动体刚进入承载区结冰导致摩擦系数变小；?润滑脂冻结导致滚动体依托保持架，形成一体，导致阻力增加很多；③低温时段突然来风或阵风，机组快速启动轴承转速变化过快导致打滑。
[0014]5、润滑脂冻结打滑产生的危害
[0015]打滑造成两接触表面产生相对滑动，在摩擦力的作用下对滚动轴承产生严重影响。
[0016]①当滚动轴承产生打滑后，两接触表面之间产生相对运动，在载荷的作用下，将导致接触表面产生较大的剪切应力，剪切应力的作用将造成接触表面下一定深度处(最大剪应力处)可能形成细微裂纹，扩展到接触表面可能造成轴承表面的剥落。滚动轴承表面疲劳剥落会造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧。通常情况下，疲劳剥落是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命，试验规程规定，在滚道或滚动体上出现面积为0.5mm2的疲劳剥落坑就认为:轴承寿命终结。
[0017]②滚动轴承接触零件间的“滑动摩擦”会产生巨大热量，导致滚动轴承及润滑油温度升高，从而使滚动轴承发生热变形，工作时热应力过大会引起轴承零件断裂或塑性变形，塑性变形会在滚道表面上形成压痕，使轴承在运转过程中产生剧烈的振动噪声，引起附近表面的剥落。滚动体与套圈间的滑动摩擦可使轴承零件在极短时间内达到很高的温度，导致润滑油膜的破坏，出现局部钢对钢的干摩擦，严重时表面层金属将会局部熔化，接触点产生粘着，轻微的粘着会被撕裂，严重的粘着使接触点产生胶合。
[0018]③当两表面在载荷的作用下相对滑动时，材料将发生转移，使轴承表面产生擦伤。打滑造成的轴承表面擦伤一般有以下几种情况:滚子末端与轴承挡边之间、滚动体进入承载区时，持续擦伤会引起表面磨损，磨损后导致轴承的游隙增大，表面粗糙度增加，从而降低了轴承运转精度，也降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械轴承，往往是磨损量限制了轴承的寿命。
[0019]④轴承打滑会造成滚动体的自转转速、公转转速和保持架转速发生改变，导致滚动体与保持架产生撞击，撞击力可能引起保持架的损坏，保持架损坏结果表明，滚动体打滑主要出现在进入承载区的前期，且滚动体与外圈的打滑更严重，而这些结论与试验分析所阐述的现象相当吻合。由此证明了:滚动体咬入打滑发生在刚进入承载区的初始阶段，滚动体自转转速在非承载区逐渐降低，而在承载区出现急剧加速(而加速是需要摩擦力的，即较大的摩擦系数)，而滚动体的公转转速在进入承载区过程中快速降低而后逐渐升高；滚动体与外圈间的滑移速度大于滚动体与内圈间的滑移速度，滚动体与外圈之间的打滑相对内圈严重；滚动体进入承载区的打滑现象很难避免(尤其是润滑脂已经失去“流态化”状态时)，可以增加滚动轴承载荷来减轻滚动体打滑的程度，并缩小滚动体打滑区域。轴承载荷越大，滚动体打滑程度越轻，打滑区域越小。轴承转速越高，滚动体打滑程度越严重，打滑区域越大。
[0020]综上所述，在冬季寒冷的地区使用上述发电机时，定子主轴与转子的转动轴之间的轴承润滑脂在停机后易出现冻结现象。在润滑脂冻结或失去流态化后，风场来风时强行启机会造成轴承滚动体在滚道面上发生打滑现象，使得滚动体与滚道之间的滚动摩擦变为滑动摩擦，滚动体持续打滑，造成滚动体变形。滚动体与保持架冻结成一体，风场来风时强行启机，滚动体与保持架整体滑动，损坏保持架。多次持续作用会导致轴承失效。
【实用新型内容】
[0021]本实用新型的实施例提供一种风力发电机的轴承保护用加热装置及轴承系统，用以为轴承润滑脂解冻维持流态化提供热源，延长轴承的使用寿命。
[0022]为了达到上述目的，本实用新型的实施例提供了一种风力发电机的轴承保护用加热装置，所述加热装置应用于外部套设有轴承的风力发电机的主轴上，所述加热装置设置于所述主轴的内部，位置上与轴承所在位置相对应，所述加热装置包括多个圆弧段、柔性热源以及支撑装置，所述柔性热源设置在所述圆弧段与主轴内壁之间，所述支撑装置对所述圆弧段的内表面进行支撑，使所述柔性热源紧贴于所述主轴的内壁上。
[0023]进一步地，所述圆弧段大小相同且数量为偶数个，每两个在径向上相对的圆弧段构成一组，所述支撑装置包括:与所述圆弧段的组数相同的多组左旋支撑杆件、右