刘方正 王燕霜* 王加祥 王高峰 范雨晴 郑广会 袁锡铭 李剑锋 王黎明

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院），济南 250353；2.洛阳轴研科技有限公司，洛阳 471039；3.山东金帝精密机械科技股份有限公司，聊城 252035；4.山东大学 机械工程学院，济南 250061）

随着传统能源的日益枯竭和环境污染的愈发严重，寻找一种清洁、可再生能源成为社会可持续发展的重中之重。风力发电因其环保、发电效率高的特点受到了人们的关注[1-2]。轴承作为风电设备最关键的基础部件，在整个风机传动链中有着举足轻重的作用[3]。风电机组轴承包括偏航、变桨以及主轴3大类轴承，其中主轴轴承的性能直接影响风机的寿命与可靠性[4]。常用的主轴轴承类型有双列调心滚子轴承和圆锥滚子轴承等。风机工况复杂，轴承受载难以确定。有数据表明，轴承疲劳失效是造成风电机组停机的主要原因。目前，已有很多学者对风电主轴轴承进行了研究。针对双列调心滚子轴承在服役期间出现的偏载问题，褚景春等人发现改变两列滚道的接触角设计非对称轴承，可有效缓解偏载现象[5]。杨家鹏等人研究了调心滚子轴承的滚子直径误差对轴承疲劳寿命的影响规律，结果表明轴承寿命随滚子直径误差的绝对值增大而减小[6]。李贵方等人通过实验验证发现，过大的轴向力会导致严重的偏载现象，进而造成轴承单列滚道发生早期疲劳剥落[7]。邓四二等人基于轴承动力学理论，建立双列调心滚子轴承的动力学模型来研究不同几何结构、工况参数对轴承摩擦力矩的影响规律[8]。

本文基于Romax分析软件，针对某大型双列调心滚子轴承的受载状况，分析轴承内部载荷、应力及油膜厚度的分布状态。研究结果可为轴承参数设计和结构优化提供技术指导。

1 双列调心滚子轴承Romax模型的建立

1.1 某大型双列调心滚子轴承特性参数

双列调心滚子轴承部件主要有两列球面滚子、轴承内圈、轴承外圈以及保持架。作为风机主轴轴承，它常处于低速重载工况。因此，采用轴承静力学分析方法，即不考虑保持架、离心力以及陀螺力矩的影响。轴承内、外圈以及滚动体的材料均为标准轴承钢，弹性模量为205 GPa，密度为7 806 kg·m-3，泊松比为0.3，内、外滚道粗糙度为0.312 5 μm。轴承的主要参数如表1所示。

表1 某双列调心滚子轴承特性参数

1.2 大型双列调心滚子轴承-轴系几何模型

基于轴承特性参数，利用Romax软件建立双列调心滚子轴承装配模型，如图1所示。在Romax坐标系中将轴承旋转中心定义为坐标原点，Z轴为轴承轴线方向，两相互相垂直的径向方向分别定义为Y轴和X轴，并以X轴正方向为圆周方向的起始位置。工作温度为默认值70 ℃，轴承外圈设为固定，内圈旋转，转速为10 r·min-1，润滑类型为润滑脂。

图1 双列调心滚子轴承的Romax轴系模型

在分析轴承仿真前，要对双列调心滚子轴承进行受力分析。风电机组主轴承负载主要包括轮毂、叶片和主轴的重力，叶片和风之间的相互作用力，以及齿轮箱的弹性支承力等，来源复杂，但可等效为轴向载荷、径向载荷以及倾覆力矩，如图2所示。由于风电机组模型装配尺寸大，仿真过程容易不收敛，因此在Romax坐标系中根据力学原理将外部负载等效为轴承宽度中心处的载荷，并用刚度轴承模拟齿轮箱的弹性支承，以此简化装配模型，加快收敛效率。载荷大小方向如表2所示，其中Fz为轴向力，Fx、Fy分别为径向力，Mx、My分别为X与Y方向的倾覆力矩。

图2 风电机组主轴承受载分析

表2 双列调心滚子轴承工况载荷

2 双列调心滚子轴承接触特性仿真结果分析

双列调心滚子轴承在轴向、径向和倾覆力矩作用下，两列滚道的接触载荷如图3所示。可以发现：第一列滚道受载滚子数为14个，约占总滚子数的1/2，承受的最大载荷为142.6 kN；第二列滚道受载滚子数为16个，最大载荷为232.2 kN；整个轴承将近半圈受载，载荷分布状态较为理想。两列滚道应力云图如图4所示。由图4可知：第一列滚道应力主要分布在50°～206°，最大应力发生在134°附近，应力峰值为1 269 MPa；第二列滚道应力主要分布在37°～217°，最大应力也在134°附近，对应的应力峰值为1 500 MPa；两列滚道最大应力均小于轴承的许用应力4 000 MPa。由载荷和应力分布图可知，轴承承受较大轴向力后发生了偏载现象，即一列滚道受载小而另一列滚道受载大。长时间的偏载现象会导致轴承早期疲劳失效。已有研究证明，改变两列滚道的接触角或设计出非对称滚子，可有效缓解偏载现象。另外，从滚道应力云图中可得到受载滚子的接触应力关于滚子中心对称分布，在中心位置处应力达到峰值，且沿着滚子素线方向向滚子两端均匀减小，直至为0。相对于第一列滚道，第二列滚道的接触应力分布范围更宽，接触应力更大。

图5为不同受载滚子与滚道的接触印记半宽，即接触椭圆半长轴的长度。不难看出，滚子与滚道的接触区域为一椭圆，沿滚子素线方向为椭圆短轴部分，沿滚子滚动方向为椭圆长轴部分，符合Hertz接触理论。另外，由应力云图与接触印记半宽图可得到两列球面滚子的两端部分应力为0，说明球面滚子两端没有应力集中现象。

图6为轴承滚道油膜厚度分布云图，可以发现油膜厚度的分布也成椭圆形状，与应力分布规律基本一致，并在应力最大处即接触椭圆中心处出现油膜厚度的最小值，为0.099 1 μm。

图3 两列滚道载荷雷达图

图4 两列滚道应力云图

图5 滚子与滚道的接触印记半宽图

图6 两列滚道的油膜厚度

3 结论

以某大型双列调心滚子轴承为例，基于Romax软件分析特定工况下轴承内部载荷、应力以及油膜厚度的分布规律，得到如下结论。

在轴向、径向和倾覆力矩作用下，双列调心滚子轴承中两列承载滚子的个数不同，承载滚子的位置角范围不同，两列滚子与滚道的接触载荷和应力不同，轴承出现偏载现象。设计两列滚子为非对称接触角或者不同滚子直径可以解决偏载问题。

受载滚子的接触应力关于滚子中心对称分布，在中心位置处应力达到峰值，且沿着滚子素线方向向滚子两端均匀减小，直至为0。相对于第一列滚道，第二列滚道的接触应力分布范围更宽，接触应力更大。

滚子与滚道之间的接触面积为椭圆，椭圆的短轴部分沿滚子母线方向，椭圆的长轴部分沿滚子滚动的方向。两列球面滚子的两端接触应力为0，说明球面滚子受载良好，滚子两端没有应力集中现象。

油膜厚度的分布与应力分布基本一致，在接触椭圆中心处油膜厚度取得最小值。