風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承加速壽命試驗(yàn)研究

李英昌　劉桂然　員一澤

摘要：主軸軸承是風(fēng)電機(jī)組核心零部件之一，為保障機(jī)組可靠運(yùn)行，防止軸承發(fā)生早期失效，在機(jī)組正式投入使用前，需要通過(guò)軸承加速壽命試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。以典型風(fēng)電機(jī)組載荷為研究對(duì)象，分析了輪轂中心各方向載荷特征和分布規(guī)律，提出一種將工況載荷簡(jiǎn)化為試驗(yàn)載荷的等效方法。另外，雖然加速壽命試驗(yàn)可以通過(guò)提高試驗(yàn)載荷來(lái)縮短試驗(yàn)時(shí)間，但載荷超過(guò)一定限值會(huì)導(dǎo)致軸承發(fā)生塑形變形，影響試驗(yàn)結(jié)果判定，因此，基于軸承應(yīng)力和載荷當(dāng)量計(jì)算公式，通過(guò)逆向推導(dǎo)方式，完成軸承加速壽命試驗(yàn)過(guò)程中載荷限定條件的推導(dǎo)，并通過(guò)加速壽命試驗(yàn)對(duì)上述方法的有效性進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；主軸軸承；載荷規(guī)律；加速壽命試驗(yàn)；加載限值

中圖分類號(hào)：TK83；TH133.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.03.003

文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 03-0014-07

Study on Accelerated Life Test of Main Shaft Bearing of Wind Turbine

LI Yingchang1，2，LIU Guiran1，2，YUAN Yize1，2

（ 1.Guodian United Power Technology Co.， Ltd.， Beijing 100139， China;

2.State Key Laboratory of Wind Power Equipment and Control， Baoding 071000， China ）

Abstract：The main shaft bearing is one of the core components of wind turbine. In order to ensure the reliable operation and prevent early failure， the bearing of the wind turbine should be verified? through the accelerated life test before it is put into use. This paper takes typical wind turbine load as the research object， analyzes the load characteristics and distribution rules in all directions of the hub center， and proposes an equivalent method to simplify the working load to the test load. In addition， although the accelerated life test can shorten the test time by increasing the test load， the load exceeding a certain limit will cause deformation of the bearing and affect the judgment of the test results. Based on the bearing stress and load equivalent calculation formula， the paper completes the derivation of the load limit conditions in the process of the accelerated life test of the bearing through reverse derivation. The effectiveness of the above methods is verified by accelerated life test.

Key words：wind turbine；main bearing；load characteristics；accelerated life test；load limit

不同于一般工業(yè)用滾動(dòng)軸承，風(fēng)電主軸軸承所處的工作環(huán)境比較惡劣且工況多變，載荷幅值變化具有很大隨機(jī)性，軸承后期維護(hù)困難，維護(hù)成本非常高，這就對(duì)風(fēng)電軸承的可靠性和使用壽命提出了更高的要求[1-2]。為檢驗(yàn)風(fēng)電軸承的可靠性，常對(duì)其進(jìn)行壽命試驗(yàn)。由于軸承屬于高壽命產(chǎn)品，在時(shí)間和經(jīng)費(fèi)制約下，常規(guī)壽命試驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，需采用加速壽命試驗(yàn)。

2011年，德國(guó)FAG公司的風(fēng)電主軸軸承試驗(yàn)臺(tái)ASTRAIOS投入運(yùn)行[3]，F(xiàn)AG公司憑借ASTRAIOS和其多年的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)研發(fā)了一種加速壽命試驗(yàn)方案。2012年，日本NTN公司在三重縣工廠建造了當(dāng)時(shí)世界最大的風(fēng)電軸承試驗(yàn)機(jī)WIND LAB[4]，WIND LAB使用六個(gè)液壓缸在垂直和水平方向?qū)S承施加載荷，能夠再現(xiàn)機(jī)組的實(shí)際載荷工況，對(duì)軸承進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)分析和試驗(yàn)。2017年，美國(guó)Clemson大學(xué)在美國(guó)SCE&G能源創(chuàng)新中心開(kāi)發(fā)出當(dāng)時(shí)最大的風(fēng)電軸承試驗(yàn)臺(tái)[5]對(duì)三菱重工V164-9.5 MW軸承進(jìn)行測(cè)試，該試驗(yàn)臺(tái)能夠?yàn)闄C(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)提供完整的加速壽命試驗(yàn)。2017年，瑞典SKF公司公布了Sven Wingquist測(cè)試中心的兩個(gè)風(fēng)電軸承試驗(yàn)臺(tái)[6]，該試驗(yàn)臺(tái)不僅可以測(cè)試單個(gè)軸承，還能測(cè)試完整軸系?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)外風(fēng)電軸承試驗(yàn)起步早，且研究深入，但試驗(yàn)理論作為核心機(jī)密對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)處于封鎖狀態(tài)。

國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)電主軸軸承的試驗(yàn)研究略顯遲緩。2010年華銳風(fēng)電提出了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承的試驗(yàn)裝置[7]，但該試驗(yàn)臺(tái)專利文件未提及可供主軸軸承試驗(yàn)的具體工況及尺寸參數(shù)。2013年大連理工大學(xué)提出一種風(fēng)電軸承試驗(yàn)的具體方案[8]，隨后該方案一直被改進(jìn)[9-12]。2018年，瓦房店軸承公司公開(kāi)的一篇論文中展示了其發(fā)明的風(fēng)電主軸軸承試驗(yàn)臺(tái)[13]，該試驗(yàn)臺(tái)可以模擬2 MW以內(nèi)風(fēng)電主軸軸承實(shí)際受力情況，但并未對(duì)試驗(yàn)參數(shù)情況進(jìn)行介紹。2021年，成都天馬鐵路軸承有限公司的8 MW試驗(yàn)臺(tái)研制成功，但相關(guān)試驗(yàn)研究及理論研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

風(fēng)電軸承國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14]雖提出了軸承壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)原理，但并未對(duì)試驗(yàn)載荷的處理和加載過(guò)程進(jìn)行明確。通用軸承試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)雖然對(duì)軸承試驗(yàn)流程進(jìn)行了規(guī)定，但對(duì)試驗(yàn)過(guò)程加載要求過(guò)于寬泛，如GB/T 24607－2009[15]要求標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中當(dāng)量載荷為額定動(dòng)載荷的20%～30%，對(duì)于軸向載荷較大的試驗(yàn)，當(dāng)量載荷可適當(dāng)取大些，但未給出載荷上限要求。JB/T 50013－2000[16]規(guī)定試驗(yàn)當(dāng)量載荷為額定動(dòng)載荷1/4，對(duì)于軸向載荷較大的試驗(yàn)，當(dāng)量載荷可適當(dāng)取大些，同樣未給出載荷上限要求。

因此，本文對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈載荷分布規(guī)律進(jìn)行研究，確定主軸軸承加速壽命試驗(yàn)的邊界條件。

1 條件假定

風(fēng)電機(jī)組主軸軸承運(yùn)行工況特殊、隨機(jī)性強(qiáng)，除了承受軸向載荷、徑向載荷和彎矩外，還承受沖擊載荷。試驗(yàn)過(guò)程中加載隨機(jī)的疲勞載荷比較困難，為簡(jiǎn)化試驗(yàn)加載過(guò)程，在滿足試驗(yàn)結(jié)果的前提下，需要對(duì)機(jī)組載荷進(jìn)行等效簡(jiǎn)化處理。

加速壽命試驗(yàn)通過(guò)提高試驗(yàn)載荷、增加試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和縮短試驗(yàn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)軸承加速疲勞驗(yàn)證的目的。為保證加速壽命試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)應(yīng)遵循下述準(zhǔn)則[17]：

（1）軸承在正常應(yīng)力水平和加速應(yīng)力水平的壽命服從Weibull分布，應(yīng)力水平的改變不會(huì)改變壽命分布類型。

（2）軸承在正常應(yīng)力和加速應(yīng)力水平下的失效機(jī)理不變。

（3）在加速應(yīng)力水平下，軸承的工作原理不變，影響軸承壽命的載荷和應(yīng)力性質(zhì)不變。

2 載荷規(guī)律和等效方法研究

主軸軸承疲勞一般以載荷時(shí)間分布（LDD，Load Duration Distribution）形式給出。載荷以輪轂中心為笛卡爾坐標(biāo)原點(diǎn)，包含My、Mz、Fx、Fy和Fz五個(gè)方向的力和力矩。由于LDD數(shù)據(jù)量較大，無(wú)法直接用于試驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)加速疲勞試驗(yàn)載荷的加載，需要按式（1）對(duì)載荷進(jìn)行等效處理，使其轉(zhuǎn)化為有限的幾組載荷[18]。

式中： 為My、Mz、Fx、Fy或Fz在輪轂中心的當(dāng)量載荷，kN； 為My、Mz、Fx、Fy或Fz在 時(shí)刻的載荷分量，kN； 為軸承壽命公式指數(shù)，點(diǎn)接觸軸承取3，線接觸軸承取10/3； 為軸承在 作用下的轉(zhuǎn)速，r/min；i為載荷數(shù)據(jù)點(diǎn)； 為i對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，min。

經(jīng)過(guò)大量機(jī)組載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)鏈載荷各方向分量的方向和時(shí)間占比均遵循特定的分布規(guī)律。如圖1所示，以某1.5 MW機(jī)組為例對(duì)傳動(dòng)鏈載荷分布規(guī)律進(jìn)行介紹：

（1）My正向和負(fù)向載荷分布占比相差不大，等效處理時(shí)，分別按照正、負(fù)兩個(gè)方向等效為兩個(gè)載荷。

（2）Mz正向載荷占比遠(yuǎn)大于負(fù)向載荷，為保守計(jì)算，并模擬疲勞損傷不利的情況，等效過(guò)程中將Mz等效為一個(gè)正向載荷。

（3）Fx主要占比為正值，該方向?yàn)檩S向載荷，且正向分量對(duì)軸承性能影響較大，因此等效過(guò)程中將Fx等效為一個(gè)正向載荷。

（4）Fy負(fù)向載荷占比遠(yuǎn)大于正向載荷，為保守計(jì)算，并模擬疲勞損傷不利的情況，等效過(guò)程中將Fy等效為一個(gè)負(fù)向載荷。

（5）Fz所有載荷分量占比均為負(fù)值，等效過(guò)程中將Fz等效為一個(gè)負(fù)向載荷。

基于上述分析，輪轂中心的LDD載荷可等效為表1所示的兩組載荷，簡(jiǎn)化了軸承當(dāng)量載荷的計(jì)算過(guò)程。

3 當(dāng)量載荷計(jì)算

以風(fēng)電機(jī)組常見(jiàn)的“球面滾子軸承＋球面滾子軸承”軸系結(jié)構(gòu)為例，對(duì)軸承當(dāng)量載荷進(jìn)行分析。傳動(dòng)鏈布局結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)力的平衡方程得到式（2）～（7），求解方程組，得出作用在軸承上的軸向力和徑向力。根據(jù)式（8）和式（9）[19]求解軸承徑向合成載荷分量和軸承的當(dāng)量載荷。

式中：A為浮動(dòng)軸承；B為推力軸承；m為主軸；g為齒輪箱； 、 、e為軸承計(jì)算系數(shù)，一般由軸承制造商提供； 為軸承徑向合成載荷分量，kN； 為作用在軸承上的軸向力，kN；P為軸承的當(dāng)量載荷，kN。

4 試驗(yàn)載荷研究

4.1 加速壽命理論

Palmgren和Lundberg建立了能夠計(jì)算軸承額定載荷和壽命的方法和公式，后經(jīng)推導(dǎo)和大量軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，獲得Lundberg-Palmgren額定壽命計(jì)算公式，該公式于1977年修正為正式的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 281[19]：

式中： 為軸承加速試驗(yàn)時(shí)間，h； 為軸承加速試驗(yàn)載荷，kN； 為軸承加速試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（18）可知，通過(guò)提高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速nt和增大試驗(yàn)載荷PL，可實(shí)現(xiàn)縮短試驗(yàn)時(shí)間的目的。但試驗(yàn)載荷和試驗(yàn)轉(zhuǎn)速不可能無(wú)限增大。載荷超過(guò)設(shè)計(jì)限值將導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形，轉(zhuǎn)速超過(guò)限值會(huì)導(dǎo)致溫升過(guò)大，超出加載限制時(shí)，將違背本文第1節(jié)所提到的試驗(yàn)準(zhǔn)則。

4.2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速限值

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速 由軸承性能決定，風(fēng)電軸承試驗(yàn)轉(zhuǎn)速限制可參考通用軸承標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定的極限轉(zhuǎn)速的60%執(zhí)行。

4.3 試驗(yàn)載荷限值

主軸軸承滾道和滾子之間為線接觸，有[17]：

式中： 為軸承滾動(dòng)體與滾道間許用接觸應(yīng)力，MPa，GL 2010[18]要求 ≤1650 MPa； 為軸承滾動(dòng)體最大負(fù)荷值，kNm；l為軸承滾動(dòng)體長(zhǎng)度，mm；b為軸承接觸面半寬，mm； 為最大徑向試驗(yàn)載荷，kN； 為調(diào)心滾子軸承的最大軸向試驗(yàn)載荷，kN；Z為單列滾動(dòng)體數(shù)目； 為軸承接觸角，（°）； 為徑向載荷積分； 為軸向載荷積分。

將式（20）和式（21）代入式（9），可計(jì)算出試驗(yàn)軸承可承受的最大當(dāng)量動(dòng)載荷 。

5 方案驗(yàn)證

以某2 MW機(jī)組所用球面滾子主軸軸承240/600為例[20]，對(duì)試驗(yàn)載荷限值推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。首先對(duì)輪轂中心二十年的LDD疲勞載荷進(jìn)行處理，根據(jù)式（1）和表1計(jì)算得到兩組等效載荷，如表2所示。為便于對(duì)比研究，表3給出了表2載荷作用下的軸承計(jì)算壽命。

根據(jù)式（2）～（8），計(jì)算作用到主軸軸承上的等效疲勞載荷，如表4所示。

式（19）中取 ＝1650 MPa，b＝0.001 mm，l＝100.2 mm。

計(jì)算得： ＝195 kNm。

進(jìn)一步根據(jù)式（9）～（18）計(jì)算軸承的當(dāng)量載荷和試驗(yàn)加載時(shí)間。其中軸承極限轉(zhuǎn)速為670 r/min，額定轉(zhuǎn)速為400 r/min。計(jì)算過(guò)程中nt＝100 r/min，壽命L＝1.09×108，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5可得出如下結(jié)論：

（1）基于Qmax計(jì)算的最大試驗(yàn)加載方式并不唯一；

（2）當(dāng)量載荷PL不變時(shí)，不同軸向和徑向載荷對(duì)試驗(yàn)時(shí)間tt影響較小。

實(shí)際加載中，可根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)加載能力選擇其中一組載荷進(jìn)行加載，在保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性的同時(shí)，獲得期望的試驗(yàn)時(shí)間。

上述結(jié)果為 ＝1650 MPa、nt＝100 r/min

的情況。給出不同接觸應(yīng)力和轉(zhuǎn)速情況下的試驗(yàn)時(shí)間圖，如圖3所示，為不同條件試驗(yàn)加載提供參考。

為進(jìn)一步實(shí)際驗(yàn)證，基于上述試驗(yàn)原則完成加載試驗(yàn)，如圖4所示。

試驗(yàn)后對(duì)軸承進(jìn)行拆解檢查，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯S承內(nèi)圈滾道與滾動(dòng)體接觸良好，軸承受徑向和軸向聯(lián)合受力，滾道存在無(wú)深度輕微磨損；軸承外圈與滾動(dòng)體接觸狀態(tài)良好；滾子表面狀態(tài)良好，中間區(qū)域存在與保持架產(chǎn)生的無(wú)深度輕微磨損；保持架與滾動(dòng)體基礎(chǔ)狀態(tài)良好，與引導(dǎo)面接觸正常，中間區(qū)域存在無(wú)深度輕微磨損。

經(jīng)軸承制造商、整機(jī)廠和軸承研究所三方檢查，確認(rèn)軸承加速疲勞試驗(yàn)結(jié)果無(wú)異常，與軸承理論計(jì)算結(jié)果一致，軸承可以滿足二十年壽命要求。

6 結(jié)論

基于大量典型風(fēng)電機(jī)組載荷數(shù)據(jù)，本課題首先對(duì)傳動(dòng)鏈載荷分布特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了傳動(dòng)鏈載荷的正負(fù)分布規(guī)律，提出一種將大量的LDD數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為兩組數(shù)據(jù)的等效方法。然后，在保證軸承不發(fā)生塑性變形的前提下，以滾動(dòng)體與滾道間最大許用應(yīng)力作為約束條件，逆向推導(dǎo)得到加速試驗(yàn)載荷的限值要求。最后通過(guò)軸承加速疲勞壽命試驗(yàn)對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，滿足二十年設(shè)計(jì)壽命要求。

本次軸承試驗(yàn)僅基于球面滾子軸承進(jìn)行驗(yàn)證，軸承型號(hào)相對(duì)單一，試驗(yàn)樣本偏少。后續(xù)需要增加軸承類型，通過(guò)大樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，提高本試驗(yàn)理論的泛化能力。

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