0 引言
环境和能源问题日益严重，风电作为一种可再生清洁能源受到国内外的高度重视。转盘轴承(也称回转支承)是风力发电机的核心部件，广泛应用于风力发电机的变桨和偏航系统，变桨轴承用于连接轮毂和叶片，偏航轴承用于连接塔筒和机组。
风电转盘轴承由于其体积庞大和安装位置不易拆装，致使其维修的难度非常大，而且转盘轴承一旦发生故障，将直接影响风力发电机的工作性能，甚至造成停机。因此要求风电转盘轴承的使用可靠性高、寿命长，至少要达到风力发电机的使用年限，即 20年。
国内外许多研究者从磨损累积、裂纹形成与发展等角度对转盘轴承的寿命作了大量研究[1~4]，然而这些研究结论大多基于大量经验数据及简化，对于风力发电机的特殊应用场合是否适用还有待实验的验证。企业必须经过大量实验，获取各自产品综合性能的实验数据，在此基础上结合理论分析和参数修正建立适合风电转盘轴承设计方法。另外，提供可信、有说服力的产品性能实验数据也有利于企业提升形象和产品的市场竞争力。
风电转盘轴承实验系统是获得产品性能数据的关键，某公司专门针对风电转盘轴承开发的实验台转盘轴承竖直安装，可以按照风电转盘轴承的承载特点模拟较大的径向力，对产品的滚道综合性能作检测，但不能对齿圈的齿根弯曲强度作检测[5]。IMO开发的风电转盘轴承实验台可以检测转盘轴承的无载启动性能，滚道硬度，完成常规的无损检测等，但载荷模拟功能较差[6]。斯洛文尼亚 Ljubljana 大学长期从事转盘轴承的相关研究，开发了一套转盘轴承实验台，但该实验台可实验产品规格较小[7]。法国LGMT实验室开发的转盘轴承实验台可用于分析静载状态下转盘轴承的滚道及安装螺栓的载荷分布，不能驱动转盘轴承对其滚道和齿圈作性能实验[8]。
本文从模拟加载、驱动系统、信号采集与处理等方面介绍了风电转盘轴承实验台的开发。实验台可以模拟风电转盘轴承承受的巨大轴向力、径向力和倾覆力矩的组合，检测转盘轴承在无载和承载状态下的启动性能，并实时监测加载运转过程中回转力矩的变化。实验台还可对运转过程中转盘轴承的振动特性作检测和分析，评估转盘轴承的使用寿命。
1 实验台开发要求
所设计的转盘轴承实验台能够完成包括风电转盘轴承在内的不同规格转盘轴承综合性能实验，主要要求：
1)能够满足不同规格滚道中心直径的转盘轴承的加载实验;
2)能模拟叶轮转动过程中转盘轴承的交替载荷;
3)检测转盘轴承的启动力矩、运行摩擦阻力矩、滚道温度、齿根应力;
4)可完成转盘轴承加速疲劳实验。
2 风电转盘轴承综合性能实验台的研制
2.1 实验台整体方案设计
整个实验台系统由转盘轴承装配系统、加载系统、驱动系统、数据采集与处理系统等组成，如图1 所示。按照设计要求实验台要能够实现不同规格的转盘轴承实验，为确保实验数据的可信，转盘轴承的安装应尽量符合实际情况，采用螺栓连接法兰的方式安装，为此转盘轴承分别通过上、下法兰筒与加载系统和基础连接，不同规格的转盘轴承更换不同规格的法兰筒。基础通过地脚螺栓与地基固定，加载系统也通过油缸与基础连接，且为保证液压加载系统能够可靠地工作，要确保加载系统不能随着被实验转盘轴承一起转动，为实现加载情况下转盘轴承能够回转运动，实验时采用两套同规格的转盘轴承“背靠背”安装，两套转盘轴承的定圈分别用螺栓连接上、下法兰筒，动圈通过螺栓相互连接。由于载荷要求较大，且要求能够模拟叶轮转动时的交替载荷，实验台设计采用液压加载方式，通过PLC控制溢流阀实现加载载荷的交替变化。
2.2 加载系统
所有的载荷通过加载系统实现，加载系统主要由径向力加载油缸、轴向力加载油缸组、倾覆力矩加载油缸组、加载盖等组成，实验台采用液压缸加载。每个油缸的压力由PLC独立控制，可实现各种载荷的组合，轴向力和倾覆力矩的两对加载油缸组保证压力同步。每个油缸压力由软件控制，根据不同的实验要求可实现不同的载荷组合，油缸的输出压力经由压力传感器与测控系统形成一个闭环，确保液压缸输出压力在实验设定范围。
单个油缸的液压原理如图2所示，液压缸压力由PLC通过溢流阀(11)调节，在实验过程中液压缸的压力要保持恒定。做定载荷实验之前，溢流阀调定实验压力后，液压泵停止工作，蓄能器提供油缸的保压性能，确保液压缸压力恒定，如果由于泄露等原因导致蓄能器的工作性能已达不到保压要求，则重新启动电机驱动液压泵，对系统补压。
2.3 驱动系统
按照实验台的设计要求，被实验转盘轴承能够在加载情况下进行加速疲劳实验，传动系统采用小齿轮直接啮合转盘轴承齿圈，驱动动力由低速大扭矩液压马达提供。为实时监测实验过程中转盘轴承的回转力矩变化情况，液压马达与小齿轮之间连接有扭矩传感器。
驱动系统的液压原理如图3所示，电磁换向阀控制转盘轴承的 360°回转，YV9、YV10得电分别控制转盘轴承的正、反转。
2.4 数采与控制系统
根据实验要求，实验台要能够完成转盘轴承刚度、动态阻力矩、寿命、关键位置应力等测试和分析。对于载荷，由于精度要求不高，可通过测量液压油压力间接测量，变形测量主要指内外圈间的相对位移，可通过非接触式位移传感器完成。系统实时记录驱动系统扭矩传感器的检测结果，通过传动比换算出转盘轴承的实验扭矩。转盘轴承的寿命通过扭矩、振动、磨损、润滑油温等综合信息评定，振动信号通过加速度传感器获得，对振动信号作频谱分析可获得滚到裂纹、破损等信息，磨损量和润滑油温度也同时给出转盘轴承寿命评估的辅助信息。主要待测量如表1所示。
系统的控制量主要包括转盘轴承回转运动、加载等执行机构的相关参数，主要包括回转速度、正反转、油缸压力、载荷谱、加载时间等。
USB总线连接的设备支持热插拔，因此无需将PC关机即可添加或删除一个设备;总线也具备自动设备检测，因此无需手动配置设备，可以即插即用。USB总线系统具有传输速度快，与计算机接口方式简单，插拔方便等许多优点，比传统的PCI、ISA等总线更容易使用，所以本系统采用USB总线系统，如图4所示。
3 结论
根据本文讨论的内容，南京工业大学机电一体化研究所研制出了国内第一台风电转盘轴承实验台，如图5所示为风电转盘轴承实验台现场控制系统照片。实验台在相关企业运行状况良好，可以实现在模拟风电转盘轴承载荷下测试转盘轴承的动态阻力矩、齿根应力、润滑油温度、振动等性能参数，同时在数据处理模块中通过对采集数据的分析，能够对转盘轴承的寿命和运行状态给予一定的评价。
参考文献：
[1] 王兴东,刘源,严爱军,等.大型回转支承寿命预测方法的研究[J].湖北工业大学学报,2006,21(3):33-36.
[2] T.A.Harris,M.N.Kotzalas,Rolling bearing analysis,fifth ed.[M].Taylor & Francis Group,2006.
[3] R.Kunc,A.ZerovNIk,I.Prebil Verification of numerical deter-mination of carrying caPACity of large rolling bearings withhardened raceway[J].Internal Journal of Fatigue 29(2007)1913-1919.
[4] NWTC-Certification Team,Guideling DG03 Wind turbinedesign yaw & pitch rolling bearing life[R],NREL,2000.
[5] www.rotheerde.com Rothe Erde Slewing Bearings.Applica-tion: Wind Energy Turbines.
[6] www.goimo.com IMO bearings for wind turbines
[7] S.Zupan,R. Kunc,I.Prebil,Experimental determination of da-mage to bearing raceways in rolling rotational connections[J].Experimental Techniques,3/4(2006)31-36.
[8] Zouhair Chaib,Alain Daidi é, Dimitri Leray.Screw behaviorin large diameter slewing bearing assemblies:nu-merical and experim ental an aly sis[J].In t J Inter-act Des Manuf.(2007)1:21-31.
作者简介：方成刚(1974-)，男，讲师，博士生，主要研究方向为数控技术，目前从事转盘轴承数控加工设备和工艺的研究。
