在风力发电技术中,选择轴承的程序有着根本的不同,主要是因为一个参数,即轴承的使用寿命。风力发电厂的制造商要求其使用轴承的寿命为20年,即175000小时,这是一个很难达到的极值。此外,必须考虑到,由于风的作用,作用在轴承上的外部载荷是高度动态的(不规则的),对于海上风力发电,还需要考虑环境条件,海洋空气具有高度腐蚀性,对于发电厂,还必须考虑电气腐蚀。最后,风电场运营商可获得的服务选择极其有限,轴承的任何计划外停机都将产生巨大的成本。
计算轴承的使用寿命需要大量的专业知识,必须考虑许多参数,除了应用环境中的轴承负载和转速外,设计工程师还必须考虑轴承的结构,轴和外壳的配置、材料及其公差等,由于上文所述的内容,风力发电厂选择轴承比在其他使用领域更为复杂。
基于这些数据,首先根据DIN ISO 281(也称为目录法)进行传统的标准化计算,参数包括轴承负载、转速、负载能力和轴承类型,在进一步的计算中,还考虑了油的温度、润滑和纯度等参数。
DIN ISO 281的附录4假定简化的轴承几何形状作为计算修改后的参考寿命的基础,在大多数情况下,这种计算就足够了,然而,在风力发电行业,需要更精确的计算,NSK为此开发了STIFF软件,在计算轴承寿命时,STIFF考虑了精确的内部几何形状、运行间隙和预紧、轴承系统的变形以及滚动元件和轴承滚道之间的载荷区域和载荷分布等。
除了快速精确地计算轴承寿命外,STIFF软件还允许进行短期版本分析,从而优化现有设计,此外,可以快速测试轴承的特殊调整。考虑到该领域计算时的庞大数据量,以及苛刻的轴承寿命要求,此类项目通常与客户密切合作执行。与工程一样,测试也发挥着重要作用,NSK设计了轴承试验台,可以模拟动态载荷和运动。例如,其中包括一个能够施加转子负载的动态力和力矩的大型轴承试验台,以及一个用于模拟快速旋转滚子轴承的加速、减速和制动程序的试验台。
除了轴承设计的选择外,材料的选择也起着至关重要的作用,例如,在不利条件和动态载荷下,轴承的使用寿命为175000小时,只能通过使用特殊材料来实现。这就是为什么NSK为风力发电行业专门开发了Super-TF钢材料,这种材料采用了高纯度轴承钢,并结合了特殊的热处理技术,确保了最佳的残余奥氏体含量,这种材料可确保任何穿透轴承的异物在材料中产生的应力小于传统钢中的应力,因此,杂质造成的损坏发生的频率较低。
由这种材料制成并使用清洁润滑剂的轴承的使用寿命大约是原来的两倍,Super-TF钢可用于多种轴承类型,如圆柱滚子轴承,这是风力发电中最常用的轴承类型之一,以及圆锥滚子和调心滚子轴承。