基于Romax的風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承疲勞壽命分析

王佳偉，王春秀，慕松，楊旭東

(寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低速輸入軸軸承是風(fēng)機(jī)主傳動(dòng)鏈的核心部件之一，其性能的好壞直接關(guān)系到整體機(jī)組運(yùn)行的可靠性[1-2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)的高空中，大型運(yùn)輸機(jī)械不易到達(dá)，風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承一旦發(fā)生損壞，拆卸困難，維修費(fèi)用高，例如某公司的1.0MW風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承一次維修更換費(fèi)用不低于30萬(wàn)元。對(duì)1.0 MW風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承進(jìn)行疲勞壽命分析，了解徑向游隙、潤(rùn)滑等參數(shù)對(duì)軸承壽命的影響，對(duì)增加風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承使用壽命、提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可靠性、減少風(fēng)力發(fā)電成本有重要意義。而RomaxDesigner軟件可對(duì)風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承進(jìn)行建模、靜動(dòng)態(tài)分析、精確仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)等[3]，其綜合方法可加速產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，節(jié)約產(chǎn)品投入市場(chǎng)的成本和時(shí)間，因此，基于RomaxDesigner對(duì)風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承進(jìn)行疲勞壽命分析。

1 軸承疲勞壽命分析

1.1 建模

MWT100-1.0 MW型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低速輸入軸軸承為雙列調(diào)心滾子軸承，型號(hào)為230/560/C9W33，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)與低速輸入軸的尺寸見(jiàn)表1和表2。

表1 軸承主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 風(fēng)機(jī)低速輸入軸尺寸

風(fēng)機(jī)低速輸入軸為階梯軸，可以分為7個(gè)軸段。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，以軸段1的原點(diǎn)為起點(diǎn)，按照各軸段到原點(diǎn)的距離及其他相關(guān)數(shù)據(jù)在RomaxDesigner軟件中完成對(duì)風(fēng)機(jī)低速輸入軸的建模；在軟件中新建軸承并將表1中軸承的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入，完成對(duì)風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承的建模，并根據(jù)軸承的實(shí)際位置將軸承設(shè)置到軸上相對(duì)應(yīng)的位置[4-5]。風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承設(shè)計(jì)載荷工況見(jiàn)表3，26種工況的作用時(shí)間之和為其全壽命周期值。根據(jù)表3中風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承在全壽命周期下的設(shè)計(jì)載荷工況，將載荷數(shù)據(jù)添加到模型中，加載后的模型如圖1所示。

表3 風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承設(shè)計(jì)載荷工況

圖1 加載后的模型圖

通過(guò)查看SCADA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)并計(jì)算可知，風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承的年平均工作溫度為35.21 ℃，在RomaxDesigner中設(shè)置軸承的工作溫度為35.21 ℃，定義潤(rùn)滑類型為脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑脂型號(hào)選擇默認(rèn)值。

1.2 徑向游隙對(duì)其疲勞壽命的影響

風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承游隙直接影響其壽命以及軸承滾子是否能正常運(yùn)動(dòng)。根據(jù)前面所述建模模型，在RomaxDesigner中對(duì)每種工況取不同的徑向游隙值，得到對(duì)應(yīng)的軸承壽命，定義壽命比r1為

(1)

式中：Lδ為徑向游隙為δ時(shí)軸承的壽命；L0為徑向游隙為0時(shí)軸承的壽命。

匯總數(shù)據(jù)并在MATLAB軟件中繪制圖形，得到各工況下徑向游隙對(duì)軸承疲勞壽命的影響如圖2所示。

圖2 各工況下徑向游隙對(duì)其疲勞壽命的影響

圖2中共有26條曲線，與風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承的26種設(shè)計(jì)載荷工況相對(duì)應(yīng)(表3)，隨著軸、徑向載荷的不斷增加，壽命的起點(diǎn)越來(lái)越高(值更大)。為得到徑向游隙對(duì)全壽命周期下風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承壽命的影響，保證結(jié)論的高可靠性，按照保守原則，取圖2中壽命最保險(xiǎn)的部分曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 全壽命周期下徑向游隙對(duì)其疲勞壽命的影響

由圖3可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承的徑向游隙為-10～0 μm時(shí)，軸承壽命較高。當(dāng)風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承的徑向游隙過(guò)大或過(guò)小時(shí)，軸承壽命驟然縮短[6]。因此，對(duì)1.0 MW風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承，在裝配的過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制徑向游隙，選取徑向游隙為-10～0 μm。

1.3 潤(rùn)滑對(duì)其疲勞壽命的影響

試驗(yàn)表明，軸承潤(rùn)滑狀態(tài)的優(yōu)劣與其疲勞壽命密切相關(guān)。軸承滾動(dòng)接觸面上潤(rùn)滑狀態(tài)的優(yōu)劣，由潤(rùn)滑油膜參數(shù)Λ表示，定義為

(2)

式中：h為潤(rùn)滑油膜厚度；R為軸承表面粗糙度Ra的值。

一般來(lái)說(shuō)，軸承潤(rùn)滑油膜參數(shù)值越大，潤(rùn)滑狀態(tài)越好。這是因?yàn)楫?dāng)潤(rùn)滑油膜參數(shù)較大時(shí)，軸承表面微小凸起之間接觸時(shí)不易發(fā)生表面起源剝落；若軸承表面沒(méi)有傷痕，則軸承壽命主要取決于內(nèi)部起源剝落。潤(rùn)滑油膜參數(shù)較小時(shí)，軸承表面微小凸起之間的接觸易導(dǎo)致表面起源剝落的產(chǎn)生，軸承壽命也將縮短[7-8]。

分析潤(rùn)滑對(duì)風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承疲勞壽命的影響時(shí)，在RomaxDesigner軟件中設(shè)置軸承徑向游隙為零，定義潤(rùn)滑類型為脂潤(rùn)滑，軸承表面粗糙度按GB/T 307.3—2005《滾動(dòng)軸承 通用技術(shù)規(guī)則》規(guī)定選取，通過(guò)改變潤(rùn)滑脂的運(yùn)動(dòng)黏度從而得到不同的潤(rùn)滑油膜參數(shù)，得到相對(duì)應(yīng)的軸承壽命，并定義壽命比r2為

(3)

式中：LΛ為內(nèi)滾道油膜參數(shù)為Λ時(shí)軸承的壽命；L3為內(nèi)滾道油膜參數(shù)Λ=3時(shí)軸承的壽命。

匯總數(shù)據(jù)并在MATLAB軟件中繪制圖形，得到各工況下的潤(rùn)滑油膜參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承疲勞壽命的影響，如圖4所示。

圖4 各工況下潤(rùn)滑油膜參數(shù)對(duì)其疲勞壽命的影響

圖4中曲線的2個(gè)極端拐點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的最小潤(rùn)滑油膜參數(shù)為2.437與3.21。當(dāng)風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承的潤(rùn)滑油膜參數(shù)在2.437與3.21時(shí)，軸承壽命較高；當(dāng)潤(rùn)滑油膜參數(shù)小于等于0.5時(shí)，軸承壽命縮至1/10，這就是嚴(yán)重的表面起源剝落。綜合考慮風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承在全壽命周期下的各工況可以看出，當(dāng)潤(rùn)滑油膜參數(shù)大于等于3.21時(shí)，軸承壽命比最高。因此，為使風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承獲得較高的使用壽命，應(yīng)使軸承潤(rùn)滑油參數(shù)在3.21附近。

2 軸承疲勞壽命預(yù)測(cè)

對(duì)圖3中曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合公式為

δ*=-0.000 3δ2-0.007 7δ+1.014 6，

(4)

式中：δ*為風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承的游隙系數(shù)；δ為風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承的徑向游隙。

傳統(tǒng)的L-P軸承壽命計(jì)算公式為[9]

(5)

利用(4)，(5)式可以得到考慮游隙的風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承疲勞壽命預(yù)測(cè)公式為

(6)

利用(5)式并結(jié)合表1、表2中的數(shù)據(jù)計(jì)算可以得到，采用傳統(tǒng)L-P軸承壽命理論計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承的基本額定壽命為L(zhǎng)10h=290 210 h，超過(guò)33年。

由(4)，(6)式可以計(jì)算得到不同徑向游隙下風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承的疲勞壽命結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同徑向游隙下風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承疲勞壽命

3 結(jié)束語(yǔ)

分析1.0 MW型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低速輸入軸軸承徑向游隙與潤(rùn)滑對(duì)其疲勞壽命的影響，基于RomaxDesigner對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)低速輸入軸軸承進(jìn)行了仿真，得到了當(dāng)軸承徑向游隙為-10～0 μm、潤(rùn)滑油膜參數(shù)在3.21附近時(shí)，風(fēng)電機(jī)組低速輸入軸軸承壽命最高；在L-P軸承壽命理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件仿真結(jié)果，提出了一種考慮徑向游隙的風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承疲勞壽命預(yù)測(cè)公式，并計(jì)算得到了不同徑向游隙下的風(fēng)機(jī)低速輸入軸軸承壽命預(yù)測(cè)值。