淺談三排滾子軸承在5MW級以上風(fēng)電機(jī)組上的應(yīng)用

張森林+劉紅

摘 要：本文詳細(xì)闡述了三排滾子軸承的結(jié)構(gòu)、功能和特點(diǎn)以及其在風(fēng)電機(jī)組中作為主軸軸承的使用情況，介紹了三排滾子軸承的內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架的材料選擇和熱處理的工藝要求，并采用有限元的軟件對該軸承的滾道強(qiáng)度和連接螺栓組做進(jìn)一步的計算分析，采用軸承的計算軟件對軸承的壽命進(jìn)行校核和計算，從而指導(dǎo)和完善風(fēng)電機(jī)組主軸軸承的設(shè)計選型。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 載荷計算 靜強(qiáng)度 疲勞壽命 主軸軸承 三排滾子軸承 有限元分析

中圖分類號：TK22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0080-03

目前，在大功率風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計中，主傳動鏈的設(shè)計至關(guān)重要。在主傳動鏈的設(shè)計中，軸承的選型設(shè)計是否正確往往決定了整個風(fēng)電機(jī)組設(shè)計的成敗。因此，在大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計中，我們往往都需要先確定整個機(jī)組傳動鏈的總體結(jié)構(gòu)。一般來說，對于較大型的風(fēng)電機(jī)組，傳動系統(tǒng)的設(shè)計主要采用直驅(qū)方案或者是帶有齒輪箱的半直驅(qū)的方案，直驅(qū)機(jī)組的方案成本相對較高，因此我們一般選擇帶有齒輪箱的半直驅(qū)的方案。因此，必須明確主傳動系統(tǒng)中主軸承的選型和設(shè)計方案。

1 三排滾子軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三排滾子軸承具有三個座圈，滾道各自分開，使得每一排滾柱的負(fù)載都能確切地加以確定，能夠同時承受各種載荷。三排滾子軸承的優(yōu)點(diǎn)是軸向力由軸向滾子承受，徑向力由徑向滾子承受，兩者互不干涉；滾道易于加工，加工精度可以達(dá)到設(shè)計理想值；如果安裝預(yù)緊條件不變，軸承設(shè)計制造過程可以確定準(zhǔn)確的游隙值，安裝后可保證軸承正常工作，同時可保證批量生產(chǎn)的一致性；保持架結(jié)構(gòu)相對簡單，加工難度小。缺點(diǎn)是滾子與保持架之間摩擦生熱，使軸承溫度升高，縮短了潤滑油脂的使用壽命。因此，只要在使用中采用合理的散熱方式，采用三排滾子軸承還是比較理想的選擇。

2 三排滾子軸承的主要應(yīng)用

三排滾子軸承可以廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械、港口機(jī)械、采掘機(jī)械、建筑工程機(jī)械、灌裝機(jī)和導(dǎo)彈發(fā)射架等大型回轉(zhuǎn)裝置上。三排滾子軸承也可用于風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)和主傳動系統(tǒng)。三排滾子軸承在國外2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主傳動系統(tǒng)中已經(jīng)成功使用過。在國內(nèi)5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動系統(tǒng)中也成功應(yīng)用過。因此把三排滾子軸承應(yīng)用到大型風(fēng)電機(jī)組的主傳動系統(tǒng)上是可行的。這樣能使機(jī)組的結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)艙的外形尺寸小，軸承的安裝方便。和雙列圓錐滾子軸承相比，不存在軸承游隙難以控制的問題和軸承安裝的問題。

3 三排滾子軸承的設(shè)計計算

3.1 三排滾子軸承材料

三排滾子軸承內(nèi)外圈材料一般選用專用定制材質(zhì)42CrNiMo鍛件，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，材料硬度為HB280以上，具有很好的芯部硬度及韌性、很好的熱處理調(diào)質(zhì)特性以及淬硬性、淬透性。軸承套圈滾道表面通過中頻感應(yīng)淬火處理，其良好的機(jī)械性能滿足軸承在使用中的要求。滾動體材質(zhì)一般為GCr15SiMn整體淬火處理，使?jié)L動體具有很高的抗壓性、耐磨性，以滿足主軸承重載下穩(wěn)定的使用性能。

3.2 三排滾子軸承滾道計算

根據(jù)主軸承受力的工況對主軸承進(jìn)行滾道安全校核?？紤]到主軸承安裝在一個剛性結(jié)構(gòu)上，且安裝面的狀態(tài)符合主軸承安裝要求，潤滑要求的情況下，對滾道進(jìn)行靜強(qiáng)度安全校核，以軸向力極限狀態(tài)工況考慮，見表1。

3.3 三排滾子軸承螺栓組計算

3.3.1 有限元模型建立

主軸軸承與主機(jī)架螺栓連接靜強(qiáng)度分析采用Pro/E建立結(jié)構(gòu)模型，再導(dǎo)入至有限元軟件中執(zhí)行創(chuàng)建有限元模型和強(qiáng)度分析。

主軸軸承與主機(jī)架之間的連接螺栓以梁單元建立模型，梁單元截面積以實(shí)際應(yīng)力面積計。主軸軸承、主機(jī)架、墊圈采用20節(jié)點(diǎn)6面體單元分網(wǎng)。在輪轂中心處建立節(jié)點(diǎn)并分工況施加輪轂中心集中載荷，該節(jié)點(diǎn)與軸承內(nèi)圈前端面節(jié)點(diǎn)通過MPC連接；軸承內(nèi)圈與軸承外圈1/2、軸承外圈2與主機(jī)架分別建立標(biāo)準(zhǔn)接觸對，摩擦系數(shù)取0.2。在塔筒下端截面施加全位移約束。有限元模型見圖1、圖2。

3.3.2 計算結(jié)果

由有限元軟件計算得到的各極限工況下螺栓組的最大等效應(yīng)力見表2。

3.3.3 螺栓組計算結(jié)論

在1.3wind11.3dna30工況下，主軸軸承與主機(jī)架連接螺栓組出現(xiàn)最大等效應(yīng)力，數(shù)值為709.0MPa；主軸軸承與主機(jī)架的接觸狀態(tài)及接觸壓力良好。

4 結(jié)語

本文通過對三排滾子軸承的結(jié)構(gòu)、功能、特點(diǎn)的分析和使用情況并通過對三排滾子軸承滾道、螺栓組、軸承壽命等幾個方面的計算分析，說明三排滾子軸承在大型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計中，作為主傳動系統(tǒng)的軸承滿足規(guī)范的設(shè)計要求，可以應(yīng)用于大型風(fēng)電機(jī)組主軸軸承。采取必要的冷卻和散熱的措施，避免三排滾子軸承的發(fā)熱，就可以更好地利用三排滾子軸承。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬長森.滾動軸承的分析方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1987.

[2] 紀(jì)德洲.131.50.3550型三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承的研究與開發(fā)[D].北京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[3] 張宏偉，閆瑞志，薛鵬，等.風(fēng)電機(jī)組主軸承的設(shè)計與技術(shù)要求[J].軸承，2014（4）：14-19.endprint