工程能力

先进测试加速海上风电轴承发展

随着海上风力发电机组发电能力的提高,主轴轴承需要满足对风力发电机组日益苛刻的要求。因此,在轴承安装之前必须对其进行大量测试,以确保这些轴承达到所需的使用寿命。

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2019年7月,SKF在其主轴试验台上完成了一项里程碑式的试验,将SKF Nautilus滚子轴承最高加速至30转/分钟。如此高的转速可以减少耐久试验的时间和成本。

这项试验在业内领先的Sven Wingquist测试中心(SWTC)进行,测试中心位于德国的施韦因富特,曾屡获殊荣,专门设计用于测试大型轴承并确保它们满足行业要求。

强大的试验台

Sven Wingquist测试中心旨在模拟轴承在实际工况下数年里可能承受的各种载荷,并将模拟过程压缩至短短几周时间内。这种加速测试程序大大节省了时间、金钱和精力。

位于德国施韦因富特的SKF Sven Wingquist测试中心荣膺国际建筑大奖的工业类设计奖。

作为Sven Wingquist测试中心的测试设施之一,主轴试验台(MSTR)是世界上最强大的大型轴承测试平台,能够测试外径达6米的单个轴承,甚至是整个轴承总成和相关组件。风力发电机主轴产品开发和应用技术中心的产品开发工程师Stefan Engbers解释说:“借助主轴试验台,我们能够在轴承上施加实际工况下的快速动态变化的风荷载,研究正常和极端工况(如风暴、发电机故障、地震等)下的轴承动力学特性。”

测试方式

在主轴试验台建造之前,由于缺乏适合大型轴承的测试平台,且测试巨大部件困难重重,测试工作受到了诸多限制。现在,主轴试验台可以运行多种测试,耗时几分钟、几周或者几个月不等;测量内容涵盖多个位置的温度、输入荷载、速度、试验台转矩、轴承的摩擦扭矩、轴承与测试装置的振动、滚子运动特性,以及试验平台结构的变形。

SKF产品开发工程师Stefan Engbers。

借助SKF开发的智能传感器,还可以直接获得轴承内部视图。Engbers说:“我们可以测量滚子的载荷,然后评估轴承的载荷分布。此外,我们还可以检测滚子旋转的速度或它们是否在滑动等。这些测量值可与SKF的仿真工具进行比较,而且这些测量值彼此相关,有助于SKF进一步发展测试和仿真能力。”

在主轴试验台上,被测轴承可加速至30转/分钟,这不仅是一个里程碑,也是目前测试平台的极限。更快的转速直接增加了轴承的重复滚动次数,有助于在更短的时间内满足耐久试验的要求,进而减少测试成本并缩短持续时间。达到极限速度的能力对轴承部件(如保持架)至关重要。由于转速的提高,由惯性导致的轴承部件受力和滚子对法兰和保持架的冲击力显著增加。滚子组件转速约为轴承转速的一半,重约1.6吨,相当于一辆中型车的重量。主轴试验台的输出功率为880千瓦,实现从0加速至30转/分钟。作为参考,大型风力发电机转子的常规转速约为5至20转/分钟。达到较高转速可减少测试时间并测试轴承在极端条件下的性能。

SKF Sven Wingquist测试中心的主轴试验台是世界上首屈一指的大型轴承测试平台,能够测试外径达6米的单个轴承。

风力发电机主轴产品开发和应用技术中心经理兼项目主管Juergen Reichert解释说:“从这些测试中获得的知识为未来的产品和应用开发奠定了坚实的基础,有助于SKF在产品市场以及在行业中占据首屈一指的地位。”Sven Wingquist测试中心经理Thomas Zika补充说:“主轴测试能够缩短开发时间,提高产品的坚固性,降低成本和风险,助力行业发展。”

目前的测试计划将于2020年底前完成,并计划将测试轴承更换为另一个具有不同内部几何形状的轴承。2021年及以后的测试计划正在紧锣密鼓地制定中,从而让主轴试验台充分发挥作用。

通向未来之路

到目前为止,测试已经能够实现在多种模拟工况下对收集到的测试数据进行比较。

Engbers说:“目前,我们对收集到的数据非常满意。我们对即将到来的测试抱有极高的期望。极限测试对开发稳固的风力发电机来说至关重要,特别是在未来风力发电机的功率将达到甚至超过15兆瓦的情况下。”

SKF Nautilus滚子轴承准备进行测试。

未来将通过施加高动态、实际风荷载和耐久荷载,继续对Nautilus轴承进行测试,测试周期将持续数周。

除了测试Nautilus轴承外,还将在Sven Wingquist测试中心的测试台上对其他轴承型号进行测试。该测试中心拥有四个测试平台,可用于测试大型轴承、多列圆柱滚子轴承、单列圆锥滚子轴承、球面滚子轴承、CARB轴承和其他轴承类型。

SKF Nautilus轴承

SKF Nautilus是轴承界的庞然大物,外径可达4米,重达14吨,主要用作额定功率为8兆瓦的海上风力发电机的主轴轴承。作为主轴轴承,它承载着轮毂和叶片的重量,并承受作用在轮毂上的风载。

SKF Nautilus是一种背对背(也称为O型配置)的双列圆锥滚子轴承。它可以实现两个单个轴承的功能,使整个传动系统可以设计得更紧凑。此外,在特殊的轴承布局下,SKF Nautilus轴承可以作为主轴轴承集成到齿轮箱中。

SKF Nautilus轴承的预期寿命可达20年以上,因此对其性能进行详尽的测试至关重要。