變槳軸承鋼球/溝道接觸載荷分布規(guī)律

龐健華，洪榮晶，高學(xué)海，陳捷

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，南京 211816)

變槳軸承作為變槳系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，其裝機(jī)后的受力和變形情況將嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的可靠運(yùn)行。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤軸承設(shè)計(jì)理論不考慮安裝基礎(chǔ)剛性、螺栓預(yù)緊力和安裝平面的平面度等因素，假設(shè)轉(zhuǎn)盤軸承工作于完全剛性的理論環(huán)境下，只考慮轉(zhuǎn)盤軸承鋼球/溝道的接觸變形[1-10]。在實(shí)際工作中，轉(zhuǎn)盤軸承安裝基礎(chǔ)不可能完全剛性，安裝平面也存在一定的平面度誤差，而且研究也表明安裝平面和安裝基礎(chǔ)對轉(zhuǎn)盤軸承受力狀態(tài)的影響不容忽略。另外，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)盤軸承設(shè)計(jì)理論基本都是基于單排四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承的[11-12]，文中的變槳軸承為大型雙排四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，其溝道/鋼球的受力狀態(tài)也不能完全套用單排四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承的算法。

有限元方法可以很好地將以上不可忽略的因素納入設(shè)計(jì)考慮范圍，然而鋼球/溝道接觸面積和整個(gè)轉(zhuǎn)盤軸承尺寸的巨大差異、數(shù)百鋼球/溝道的非線性接觸行為、螺栓預(yù)緊行為給變槳機(jī)構(gòu)的有限元建模和求解帶來很大麻煩。文中討論了一種用彈簧單元模擬鋼球/溝道接觸副的有限元建模方法，該方法避免了轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)部數(shù)百對鋼球/溝道接觸副的建模與求解，簡化了有限元模型，提高了有限元建模與求解的效率。

1 建模方法

轉(zhuǎn)盤軸承的橫截面如圖1所示，Gr為鋼球與溝道的間隙，Cid，Ced，Ciu，Ceu為溝道的曲率中心，R為溝道半徑，Dw為鋼球直徑，h為曲率中心與鋼球中心水平距離，a為曲率中心與鋼球中心垂直距離。圖1闡述了不受載時(shí)各種參數(shù)的關(guān)系，接觸只發(fā)生在CidCeu或CiuCed方向，這些基礎(chǔ)參數(shù)可以用一個(gè)非線性彈簧來代替，如圖2所示。非線性彈簧Peu-Pid是在CidCeu方向連接外圈上溝道和內(nèi)圈下溝道，另一個(gè)非線性彈簧Piu-Ped是在CiuCed方向連接外圈下溝道和內(nèi)圈上溝道。

圖1 轉(zhuǎn)盤軸承橫截面

圖2 鋼球/溝道的局部建模

鋼球/溝道的接觸可以用非線性彈簧來代替，只要符合同樣的載荷-變形特性，鋼球和溝道接觸的載荷-變形關(guān)系可以用Hertz理論方程表示，為簡化建模與求解過程，忽略內(nèi)、外溝道接觸幾何的差異，鋼球與內(nèi)、外溝道接觸彈性趨近量相等，為內(nèi)、外溝道總彈性趨近量的一半，即

(1)

式中：Q為接觸載荷；K為接觸剛度；δ為兩溝道間的總變形。

本例的非線性彈簧的載荷-變形特性為

F=KsΔ，

(2)

式中：F為彈簧力；Ks為彈性系數(shù)；Δ為彈簧的變形量。

如果Δ=δ, 則F=Q，彈簧的彈性系數(shù)可表示為

Ks=2-3/2KΔ1/2。

(3)

應(yīng)該注意的是，接觸都發(fā)生在鋼球受壓的情況下，彈簧的初始長度為

L=Dw+2Gr。

(4)

若鋼球溝道有間隙(Gr>0)，則彈簧的變形會(huì)補(bǔ)償間隙，非線性彈簧的載荷-變形關(guān)系如圖3所示。如果鋼球溝道是過盈的(Gr<0)，則非線性彈簧的載荷-變形特性應(yīng)向右朝拉伸區(qū)域移動(dòng)，如圖3所示。

圖3 非線性彈簧的載荷-變形

在全局建模中，內(nèi)、外圈都是8節(jié)點(diǎn)3D實(shí)體單元，鋼球由非線性彈簧代替，轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)、外圈的網(wǎng)格種子數(shù)是整個(gè)轉(zhuǎn)盤軸承鋼球數(shù)的4倍，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)盤軸承的全局建模

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 幾何模型

變槳機(jī)構(gòu)如圖5所示，含葉片、變槳軸承、輪轂及連接螺栓。建立有限元模型如圖6所示，建模時(shí)采用非線性彈簧模擬鋼球/溝道接觸行為，在葉根和內(nèi)圈、輪轂和外圈實(shí)際接觸位置設(shè)置接觸，由于只關(guān)心轉(zhuǎn)盤軸承的受力和變形，為減小計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，只對葉片和輪轂與轉(zhuǎn)盤軸承安裝區(qū)域建模，忽略齒圈，另外考慮到變槳機(jī)構(gòu)載荷和幾何對稱性，只建立180°有限元模型。

轉(zhuǎn)盤軸承參數(shù)如下：外徑2 080 mm，內(nèi)徑1 710 mm，球組節(jié)圓直徑1 900 mm，鋼球直徑35 mm，鋼球數(shù)目每排148個(gè)，溝道半徑18.375 mm，初始接觸角為45°，外圈螺栓節(jié)圓直徑2 000 mm，外圈螺栓48×M30，內(nèi)圈螺栓節(jié)圓直徑1 800 mm，內(nèi)圈螺栓54×M30，鋼球/溝道純滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.006，轉(zhuǎn)盤軸承安裝端面接觸摩擦因數(shù)為0.3。

圖5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳機(jī)構(gòu)示意圖

圖6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳機(jī)構(gòu)有限元模型

2.2 主要參數(shù)及載荷

主要零部件材料參數(shù)見表1。

表1 零件材料參數(shù)

根據(jù)(1)～(3)式求解得到轉(zhuǎn)盤軸承鋼球/溝道接觸剛度，即彈簧單元?jiǎng)偠葹?/p>

計(jì)算時(shí)考慮風(fēng)機(jī)正常工況，取平均疲勞載荷。根據(jù)客戶提供載荷數(shù)據(jù)，正常工況下計(jì)算施加載荷見表2，轉(zhuǎn)化為變槳軸承載荷：M=1 038 630N·m,Fa=211.6 kN,Fr= 46 kN。

表2 施加載荷

2.3 計(jì)算結(jié)果與討論

對轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)、外圈每個(gè)螺栓分別施加300，420 kN均布預(yù)緊力，假設(shè)安裝端面為理論純平，無平面度誤差，則轉(zhuǎn)盤軸承溝道變形和鋼球/溝道接觸載荷分布如圖7所示。

對轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈每個(gè)螺栓隨機(jī)施加300(1±0.15) kN預(yù)緊力，外圈每個(gè)螺栓隨機(jī)施加420(1±0.15) kN預(yù)緊力，假設(shè)安裝端面理論純平，無平面度誤差，轉(zhuǎn)盤軸承溝道變形和鋼球/溝道接觸載荷分布如圖8所示。

對轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈每個(gè)螺栓隨機(jī)施加300(1±0.15) kN預(yù)緊力，外圈每個(gè)螺栓隨機(jī)施加420 kN均布預(yù)緊力，葉根端面0.3不平度，轉(zhuǎn)盤軸承溝道變形和鋼球/道接觸載荷分布如圖9所示。

圖7 均布預(yù)緊力、端面純平工況下轉(zhuǎn)盤軸承變形和載荷分布

圖7～圖9中down-CidCeu為下排溝道CidCeu方向接觸載荷；down-CiuCed為下排溝道CiuCed方向接觸載荷；up-CidCeu為上排溝道CidCeu方向接觸載荷；up-CiuCed為上排溝道CiuCed方向接觸載荷，方向如圖10所示。

比較圖7和圖8，在不考慮安裝端面平面度誤差，假設(shè)安裝端面純平的情況下，螺栓的預(yù)緊力對轉(zhuǎn)盤軸承鋼球/溝道接觸載荷分布和支承圈變形幾乎沒有影響，當(dāng)然這是在螺栓預(yù)緊力足夠大，安裝基礎(chǔ)端面和轉(zhuǎn)盤軸承端面不分離的前提下得到的結(jié)論。比較圖8和圖9，考慮安裝平面的平面度誤差后，在螺栓預(yù)緊力和外部載荷的綜合作用下，轉(zhuǎn)盤軸承的支承圈發(fā)生了不規(guī)則的畸變，鋼球/溝道接觸載荷分布也發(fā)生了極不規(guī)則的突變。

圖8 15%隨機(jī)誤差預(yù)緊力、端面平整的工況下轉(zhuǎn)盤軸承變形和載荷分布

圖9 內(nèi)圈15%隨機(jī)誤差預(yù)緊力、葉根端面平面度為0.3的工況下轉(zhuǎn)盤軸承變形和載荷分布

圖10 鋼球/溝道接觸力作用方向示意圖

3 結(jié)論與建議

當(dāng)安裝端面存在平面誤差時(shí)，出現(xiàn)了溝道載荷分布突變和溝道畸變，導(dǎo)致局部鋼球/溝道的擠壓滑動(dòng)，出現(xiàn)不可預(yù)測的變槳驅(qū)動(dòng)力矩劇增甚至卡槳；在沒有平面度誤差的情況下，螺栓預(yù)緊力、安裝凸緣厚度等對變槳軸承的受力和變形影響可以忽略；葉根凸緣和輪轂凸緣安裝端面的平面度對變槳軸承的受力和變形有嚴(yán)重影響，因此在變槳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意葉根和輪轂安裝端面的平面度。

由于接觸應(yīng)力與接觸載荷之間存在3次方關(guān)系，故接觸載荷的微幅增加即可導(dǎo)致接觸應(yīng)力的急劇增加，從而急劇降低變槳軸承的承載能力和壽命，平面度對變槳軸承的壽命有嚴(yán)重影響。

結(jié)合以上分析提出如下建議：葉根凸緣和輪轂凸緣安裝端面的加工平面度誤差不要大于變槳軸承安裝端面的平面度誤差；安裝時(shí)，在擰緊螺栓前用塞尺沿轉(zhuǎn)盤軸承端面和葉根及輪轂凸緣安裝端面做360°檢測，如果發(fā)現(xiàn)安裝端面間存在較大的間隙，應(yīng)作調(diào)整，直至間隙符合要求，再擰緊螺栓。