王岳峰，黃 虎，李 達(dá)

(太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

主軸承作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心部件之一，其可靠性對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用[1-3]。風(fēng)電機(jī)組主軸承長(zhǎng)期在低速重載工況下運(yùn)行，軸承滾子和滾道之間形成的潤(rùn)滑油膜是避免滾子滾道摩擦損傷、確保軸承正常運(yùn)行的關(guān)鍵[4]。

王亞彪等[5]基于彈流理論研究了主軸承在極限工況的點(diǎn)接觸情況下的潤(rùn)滑油膜性能。周江敏等[6]通過(guò)計(jì)算平均雷諾流體潤(rùn)滑方程，研究了軸承滾子與滾道表面紋理和硬彈比對(duì)滾子軸承混合潤(rùn)滑油膜的影響。華希俊等[7-9]研究了激光微織構(gòu)滾動(dòng)軸承表面的潤(rùn)滑特性和彈流動(dòng)壓性能。王文中等[10]研究了潤(rùn)滑接觸中彈性變形快速數(shù)值計(jì)算方法和激光織構(gòu)化GCr15軸承鋼配副在脂潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能。許多學(xué)者對(duì)軸承的潤(rùn)滑理論進(jìn)行了研究，而針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組圓錐滾子軸承基于不同輸入交變載荷、摩擦因數(shù)、潤(rùn)滑溫度和軸承轉(zhuǎn)速下的滾道接觸應(yīng)力和滾道油膜潤(rùn)滑效果的分析，以及對(duì)軸承滾道油膜潤(rùn)滑厚度與滾道接觸應(yīng)力、軸承轉(zhuǎn)速等參數(shù)的耦合量化關(guān)系研究還相對(duì)較少，而軸承滾道應(yīng)力和油膜潤(rùn)滑厚度對(duì)各工況下軸承穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文對(duì)某兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸承滾道全局接觸表面在不同工況下的接觸應(yīng)力和膜厚進(jìn)行數(shù)值分析，為主軸承的潤(rùn)滑性能研究提供應(yīng)用參考。

1 建立模型和數(shù)值計(jì)算

載荷計(jì)算采用GL規(guī)范規(guī)定的輪轂固定坐標(biāo)系，輪轂固定坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于輪轂中心，該坐標(biāo)系不隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，輪轂固定坐標(biāo)系見(jiàn)圖1。圖1中，XN為風(fēng)輪軸線方向；ZN為向上且垂直于XN；YN按右手定則確定；F為力，M為扭矩。

本文以某兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組兩點(diǎn)支撐布置型式中的兩個(gè)單列圓錐滾子軸承為研究對(duì)象，利用Romax軟件研究不同工況下單列圓錐軸承滾子與滾道兩表面做純滾動(dòng)的潤(rùn)滑情況。等效載荷作用點(diǎn)位于輪轂中心，兩個(gè)主軸承的外圈固定約束。風(fēng)電機(jī)組主軸承布置形式及受載示意圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機(jī)組主軸承布置形式及受載示意圖

主軸承材料選取GCr15SiMn，軸承滾子數(shù)為85，軸承外徑為Φ2 420 mm，潤(rùn)滑脂采用美孚SHC 461WT潤(rùn)滑脂。軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的邊界條件為接觸模型外圈外表面固定約束，內(nèi)圈和滾子旋轉(zhuǎn)。GCr15SiMn材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。在數(shù)值計(jì)算中設(shè)置的風(fēng)電機(jī)組各工況下的參數(shù)如表2所示。

表1 GCr15SiMn材料性能參數(shù)

表2 風(fēng)電機(jī)組各工況參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 外載荷對(duì)軸承滾道載荷和應(yīng)力的影響分析

由于風(fēng)電機(jī)組載荷主要集中于主軸前端的輪轂側(cè)，因此外載荷作用于前軸承的力要大于后軸承的，本文僅分析受載荷影響最大的前軸承，圖3為滾道載荷雷達(dá)圖。圖3中,F1、F2、F3和F4分別代表工況1的軸承外圈滾道、工況1的軸承內(nèi)圈滾道、工況2的軸承內(nèi)圈滾道和工況3的軸承內(nèi)圈滾道的載荷,角度表示軸承滾道位于圓周方向的定位數(shù)值(下同)。從圖3中可知：軸承內(nèi)、外圈滾道承受的載荷基本一致；所有工況下的最大載荷均集中在軸承滾道90°位置(軸承正上方)附近，并且滾道載荷呈現(xiàn)出周向非均勻分布狀態(tài)；增大軸向載荷比徑向載荷對(duì)滾道平均載荷影響更大。

圖3 滾道載荷雷達(dá)圖

圖4為滾道應(yīng)力雷達(dá)圖。圖4中，σ1、σ2、σ3和σ4分別代表工況1的軸承外圈滾道、工況1的軸承內(nèi)圈滾道、工況2的軸承內(nèi)圈滾道和工況3的軸承內(nèi)圈滾道的應(yīng)力。從圖4中可知：滾道應(yīng)力分布同滾道載荷分布規(guī)律基本一致；增大軸向載荷使軸承整圈滾子應(yīng)力分布更均勻。這主要是由于圓錐滾子在軸向力的作用下，整圈軸承滾子與內(nèi)、外滾道在周向的受力更為均勻的原因。各工況下主軸承滾道載荷分布規(guī)律與文獻(xiàn)[11]的基本一致，也驗(yàn)證了文中載荷分布規(guī)律的正確性。

圖4 滾道應(yīng)力雷達(dá)圖

2.2 軸承滾道應(yīng)力分布的分析

圖5為工況1的軸承內(nèi)圈和外圈滾道應(yīng)力分布圖，其中Z/L為單個(gè)滾子與滾道接觸線的坐標(biāo)值Z與接觸線總長(zhǎng)L的比值(Z向?yàn)檠貪L子軸線方向)。從圖5可知：內(nèi)、外圈滾道均在滾子中心區(qū)域接觸應(yīng)力達(dá)到最大值；在軸承圓周方向上，內(nèi)、外圈滾道的接觸應(yīng)力均在90°方向上達(dá)到最大值；內(nèi)圈滾道應(yīng)力要略微大于外圈滾道應(yīng)力；在圓周方向滾子最大應(yīng)力處，軸承內(nèi)圈的滾子邊緣發(fā)現(xiàn)局部的應(yīng)力突變。滾道在圓周方向的應(yīng)力不均勻分布主要是由于輸入外載荷的作用方向?qū)е碌摹Ｓ捎谳S承內(nèi)圈尺寸小于外圈尺寸，在相同的載荷作用下，內(nèi)圈應(yīng)力略高于外圈應(yīng)力；為減少邊緣應(yīng)力，滾子軸向兩端均進(jìn)行了修形，應(yīng)力主要集中于滾子軸向中間區(qū)域。

圖5 工況1的軸承滾道應(yīng)力分布圖

2.3 軸承滾道潤(rùn)滑油膜厚度的影響因素分析

圖6為工況1～6下軸承內(nèi)圈滾道潤(rùn)滑油膜厚度分布圖。從圖6可知：潤(rùn)滑油膜厚度分布在軸承滾道呈現(xiàn)周向非對(duì)稱，但在軸向基本對(duì)稱；在軸承應(yīng)力數(shù)值較大處，油膜厚度相對(duì)較薄。油膜厚度分布規(guī)律與軸承接觸應(yīng)力分布基本一致，這主要是由于軸承在輸入外載荷和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的影響下，潤(rùn)滑油脂從滾道受載較小的發(fā)散區(qū)逐漸進(jìn)入收斂區(qū)時(shí)，經(jīng)過(guò)受載較大的滾子滾道時(shí)，滾子擠壓油脂進(jìn)而形成較薄的油膜。

對(duì)于工況1～工況6中的軸承潤(rùn)滑油膜厚度，由圖6可知，相對(duì)于工況1，工況4中摩擦因數(shù)的改變對(duì)最小潤(rùn)滑油膜厚度影響不大，因此僅對(duì)其余5種工況中的油膜厚度H進(jìn)行分析，得到回歸方程如下：

圖6 軸承內(nèi)圈滾道油膜厚度分布圖

H=0.511-9×10-6×FZ-8×10-6×FY-0.007×t+0.024×n.

(1)

其中：H為油膜厚度，μm；FZ為軸向載荷，N；FY為徑向載荷，N；t為潤(rùn)滑溫度，℃；n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min。

從式(1)中可知，軸承轉(zhuǎn)速n對(duì)油膜厚度影響最大，潤(rùn)滑溫度t和軸向載荷FZ的影響逐漸減小，徑向載荷FY的影響最小。若要增大油膜厚度，應(yīng)適當(dāng)增大軸承轉(zhuǎn)速、降低潤(rùn)滑溫度、減小軸向和徑向載荷。

2.4 軸承轉(zhuǎn)速對(duì)膜厚和滾子滑動(dòng)速度影響分析

圖7為軸承轉(zhuǎn)速與軸承油膜厚度和滾子滑動(dòng)速度的關(guān)系曲線。從圖7中可知：隨著軸承轉(zhuǎn)速增大，滾子的滑動(dòng)速度和滾子滾道最小潤(rùn)滑油膜厚度也線性增大。這是由于增大軸承轉(zhuǎn)速，滾子在滾道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度也逐漸增大，旋轉(zhuǎn)的滾子表面不斷將潤(rùn)滑油脂從發(fā)散區(qū)擠壓進(jìn)入收斂區(qū)，收斂區(qū)的油膜厚度也不斷增大。

圖7 軸承轉(zhuǎn)速與膜厚和滾子滑動(dòng)速度關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1) 滾道載荷呈現(xiàn)出非線性分布規(guī)律，增大軸向載荷比徑向載荷對(duì)滾道平均載荷影響更大，并可使軸承整圈滾子應(yīng)力數(shù)值波動(dòng)減小。內(nèi)、外圈滾道均在滾子中心區(qū)域接觸應(yīng)力達(dá)到最大值。在軸承圓周方向上，內(nèi)、外圈滾道均在90°方向上應(yīng)力達(dá)到最大值，內(nèi)圈滾道應(yīng)力要略微大于外圈滾道應(yīng)力。

(2) 潤(rùn)滑油膜厚度在軸承滾道呈現(xiàn)周向非對(duì)稱分布，油膜厚度分布規(guī)律與軸承接觸應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。軸承轉(zhuǎn)速對(duì)油膜厚度影響最大，潤(rùn)滑溫度和軸向載荷的影響逐漸減小，徑向載荷的影響最小。適當(dāng)增大軸承轉(zhuǎn)速、降低潤(rùn)滑溫度、減小軸向和徑向載荷，有助于增加油膜厚度。

(3) 滾子的滑動(dòng)速度和滾子滾道最小潤(rùn)滑油膜厚度隨著軸承轉(zhuǎn)速增大也線性增大，滾子的滑動(dòng)速度的增長(zhǎng)梯度大于滾子滾道最小潤(rùn)滑油膜厚度的增長(zhǎng)梯度。