過(guò)盈配合下風(fēng)電機(jī)組主軸軸承壽命研究

姜宏偉

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 前言

風(fēng)能是一種環(huán)?？沙掷m(xù)的能源，隨著全球風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)風(fēng)電機(jī)組主軸軸承的工作性能要求也越來(lái)越高[1-2]。主軸軸承載荷復(fù)雜，不僅承受外部風(fēng)載，還承受葉片、輪轂、主軸和齒輪箱的重力，主軸軸承失效已經(jīng)是一個(gè)關(guān)鍵問題[3]。風(fēng)電機(jī)組多安裝在人煙稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)，主軸軸承一旦發(fā)生故障，拆卸十分困難，維修費(fèi)用高[4]。關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承過(guò)盈裝配的研究較少，王建梅[5]對(duì)過(guò)盈聯(lián)接的發(fā)展歷史以及過(guò)盈量、接觸壓力計(jì)算等方面的研究進(jìn)行了歸納整理。白澤兵[6]等人建立了4種過(guò)盈配合圓筒模型，分析了考慮離心力和溫度梯度對(duì)多層過(guò)盈配合圓筒性能的影響。徐俊良[7]等人運(yùn)用解析法和數(shù)值法對(duì)比分析了過(guò)盈聯(lián)接結(jié)合壓力和過(guò)盈結(jié)合面兩端存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象。趙俊杰[8]等人基于熱固耦合研究了矩形過(guò)盈連接的接觸問題。李健[9]等人研究了過(guò)盈配合對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚合物/鈦合金螺栓接頭微動(dòng)疲勞壽命、孔伸長(zhǎng)和周向應(yīng)變的影響。胡鵬浩[10]等人從理論上深入研究和分析了熱變形對(duì)滾動(dòng)軸承工作游隙的影響。滾動(dòng)接觸疲勞被認(rèn)為是最可能導(dǎo)致軸承故障的失效模式[11]。Zheng J[12]等人研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)變載荷與變速度下雙列圓錐滾子軸承的疲勞壽命。孫興偉[13]等人利用有限元方法對(duì)發(fā)電機(jī)軸承接觸應(yīng)力與變形進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了深溝球軸承的應(yīng)力應(yīng)變情況。朱亮[14]等人通過(guò)NASTRAN V6.1 有限元分析軟件研究了偏航軸承不同接觸角對(duì)軸承壽命的影響，得到了聯(lián)合載荷下的最佳接觸角。劉光輝[15]等人分析了在裝配變形和離心膨脹的影響下主軸軸承系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。付大鵬[16]等人利用Romax分析了風(fēng)電機(jī)組主軸軸承不同游隙下的接觸應(yīng)力。

主軸軸承裝配需要涉及過(guò)盈裝配，而裝配工藝是機(jī)械產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)，直接決定產(chǎn)品的最終質(zhì)量[17]。本文研究了主軸軸承與主軸過(guò)盈配合對(duì)徑向工作游隙的影響，并基于Romax軟件分析了徑向工作游隙對(duì)軸承疲勞壽命的影響。

1 過(guò)盈配合對(duì)游隙的影響

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承內(nèi)圈與主軸過(guò)盈配合，如圖1所示，通過(guò)加熱軸承內(nèi)圈將軸承安裝在主軸指定位置，安裝完成后軸承內(nèi)圈直徑變大，軸承徑向工作游隙會(huì)有一定的減小，軸承徑向游隙對(duì)風(fēng)電機(jī)組主軸軸承壽命影響很大，因此研究過(guò)盈配合對(duì)主軸軸承的影響具有實(shí)際工程意義。

圖1 過(guò)盈配合示意圖

由于滑環(huán)布線需要，主軸內(nèi)部通常會(huì)沿軸線方向開中心孔，本文研究對(duì)象的孔徑取120 mm，因此主軸可以看作是壁厚較厚的圓環(huán)。主軸軸承內(nèi)圈內(nèi)側(cè)面與外圈外側(cè)面是規(guī)整的圓環(huán)，而靠近滾動(dòng)體側(cè)的表面具有曲率較大的圓弧，主軸軸承內(nèi)外圈均可簡(jiǎn)化為圓環(huán)。主軸與主軸軸承配合方式簡(jiǎn)化為兩個(gè)圓環(huán)的過(guò)盈配合，采用厚壁圓筒理論，分析過(guò)盈配合對(duì)主軸軸承徑向工作游隙的影響。厚壁圓筒理論在很多文獻(xiàn)均有介紹[18-20]，在此不再介紹。根據(jù)厚壁圓筒理論，軸承內(nèi)圈的增加量ψ為

(1)

式中，I為直徑過(guò)盈量；D1為軸承內(nèi)圈外徑；Ds為軸承內(nèi)圈內(nèi)徑；D2為主軸內(nèi)徑；εμ、εσ分別為軸承材料的泊松比、主軸材料的泊松比；Em、Es分別為軸承材料的彈性模量、主軸材料的彈性模量；

以某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組為例，其主軸軸承布置方式為兩點(diǎn)支承，靠近輪轂端為浮動(dòng)端軸承，僅承受徑向力；靠近齒輪箱為固定端軸承，同時(shí)承受軸向力和徑向力。分析浮動(dòng)端過(guò)盈裝配對(duì)軸承內(nèi)環(huán)工作間隙的影響，其中主軸與主軸軸承的材料屬性如表1所示。

表1 主軸與主軸軸承的材料屬性

浮動(dòng)端軸承為某型號(hào)調(diào)心滾子軸承，其內(nèi)徑Ds為750 mm，主軸孔徑D2為120 mm。將過(guò)盈量分為6組，分別計(jì)算過(guò)盈量為0.18 mm、0.20 mm、0.22 mm、0.24 mm、0.26 mm、 0.28 mm、0.30 mm。根據(jù)公式(1)可以得到軸承內(nèi)圈直徑增加量ψ，如表2所示。

表2 軸承內(nèi)圈直徑增加量

由表2可知，該型號(hào)調(diào)心滾子軸承的軸承內(nèi)圈外表面直徑增加量與直徑過(guò)盈量成正比，且滿足關(guān)系

ψ=0.903I

(2)

當(dāng)軸承與主軸的尺寸與材料一定時(shí)，軸承內(nèi)圈直徑增加量與直徑過(guò)盈量成正比。根據(jù)直徑過(guò)盈量可以計(jì)算得到軸承內(nèi)圈直徑增加量。當(dāng)軸承外圈與軸承采用間隙配合時(shí)，軸承工作游隙的計(jì)算方法如式(3)所示。固定端軸承間隙的計(jì)算方法類似，在此不再介紹。

(3)

式中，k為系數(shù)，與軸承和主軸的尺寸、材料有關(guān)；λ為軸承徑向工作游隙；υ為軸承安裝前的游隙。

2 軸承疲勞壽命分析

2.1 建模

基于RomaxDESIGNER軟件分析軸承徑向間隙對(duì)軸承疲勞壽命的影響。主軸支承方式為兩點(diǎn)支承，浮動(dòng)端和固定端均采用調(diào)心滾子軸承。風(fēng)電機(jī)組主軸為階梯軸，內(nèi)部有120 mm的通孔，根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際參數(shù)在RomaxDESIGNER中添加軸裝部件，建立主軸模型。添加滾動(dòng)軸承，選擇相應(yīng)的調(diào)心滾子軸承，浮動(dòng)端軸承中心的偏置距為579 mm，固定端軸承中心的偏置距為2 342 mm，建模結(jié)果如圖2所示。

圖2 軸承模型

根據(jù)風(fēng)載模擬軟件GH-Bladed得到輪轂處載荷，建立平衡方程，分析得到主軸軸承的當(dāng)量載荷，如表3所示，將當(dāng)量載荷施加在相應(yīng)軸承上，并設(shè)定軸的轉(zhuǎn)速為10 r/min。設(shè)定軸承的工作溫度為40℃，潤(rùn)滑劑采用脂潤(rùn)滑。

表3 軸承當(dāng)量載荷

2.2 徑向游隙對(duì)疲勞壽命的影響

單個(gè)軸承徑向工作游隙的改變對(duì)軸承系統(tǒng)有一定的影響，為了探究對(duì)系統(tǒng)的影響程度，在Romax軟件中以浮動(dòng)端軸承徑向工作游隙為自變量，分析浮動(dòng)端軸承和固定端軸承的疲勞壽命，得到的結(jié)果如圖2所示。其中固定端軸承徑向工作游隙固定為0.24 mm，主軸轉(zhuǎn)速為10 r/min。

由圖3可知，當(dāng)浮動(dòng)端軸承徑向工作游隙為-0.5 mm時(shí)，浮動(dòng)端軸承有最大的疲勞壽命；當(dāng)浮動(dòng)端軸承徑向工作游隙小于-0.5 mm時(shí)，浮動(dòng)端軸承疲勞壽命隨徑向工作游隙的減小而急劇減小，其原因?yàn)檩S承出現(xiàn)了較大的裝配應(yīng)力，在外部載荷的作用下，軸承接觸應(yīng)力急劇升高，導(dǎo)致浮動(dòng)端軸承疲勞壽命降低。當(dāng)浮動(dòng)端軸承徑向工作游隙大于-0.5 mm時(shí)，浮動(dòng)端軸承疲勞壽命有一個(gè)緩慢的下降，其原因?yàn)殡S著徑向工作游隙的增加，軸承滾子與滾道的接觸面積減小，導(dǎo)致軸承接觸應(yīng)力增加。

圖3 軸承疲勞壽命

固定端軸承疲勞壽命隨浮動(dòng)端軸承徑向工作游隙的增加而減小，分析固定端軸承疲勞壽命降低的原因，為浮動(dòng)端徑向工作游隙的增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性減小。在對(duì)軸承壽命進(jìn)行研究時(shí)，不應(yīng)將關(guān)注點(diǎn)只集中在單個(gè)軸承，需要考慮整個(gè)系統(tǒng)對(duì)軸承壽命的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)本文以某型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承為例，基于厚壁圓筒理論，分析了主軸軸承過(guò)盈裝配的影響，建立了過(guò)盈量與徑向工作游隙的計(jì)算方法。

(2)建立了風(fēng)電機(jī)組主軸及軸承仿真模型，設(shè)定載荷工況，分析了在外部載荷下徑向工作游隙對(duì)主軸軸承壽命的影響，得到了浮動(dòng)端軸承最佳徑向工作游隙為-0.5 mm，當(dāng)徑向工作游隙小于-0.5 mm時(shí)，浮動(dòng)端軸承疲勞壽命急劇減??；當(dāng)徑向工作游隙大于-0.5 mm時(shí)，浮動(dòng)端軸承疲勞壽命緩慢減小。

(3)浮動(dòng)端軸承徑向工作游隙的變化也會(huì)影響固定端軸承的疲勞壽命，固定端軸承的疲勞壽命隨浮動(dòng)端軸承徑向工作游隙的增加而減小。