石秉楠，袁带英，刘 卫

(1.东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000；2.四川建筑职业技术学院交通与市政工程系,四川德阳 618000；3.机械传动国家重点实验室，重庆大学，重庆 400030)

MW级风力发电机组主轴轴承寿命分析

石秉楠1，袁带英2，刘 卫3

(1.东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000；2.四川建筑职业技术学院交通与市政工程系,四川德阳 618000；3.机械传动国家重点实验室，重庆大学，重庆 400030)

不同的传动链类型，主轴轴承所承受的载荷也不同，寿命也不同，目前MW级风力发电机组传动链的主要类型有：基本型、直驱型、Single_PM型、Multi_PM型、Multi_induction型、集成式基本型等[1]，每一种类型又有很多种形式。国际上大多为基本型。本文就基本型5种结构形式，根据滚动轴承额定动载荷、疲劳寿命的理论和标准[2-5]，运用Romax风能软件进行分析，综合考虑重力、组装、制造公差和结构变形等因素，从而实现对主轴轴承寿命的评估。

1 轴承寿命的威布尔分布

大量的轴承寿命试验数据证明，滚动轴承的疲劳寿命是相当离散的，在加工条件和使用条件相同的情况下，其寿命相差很大，其离散的疲劳寿命符合一定的规律，如图1所示。

图1可看做是指数曲线，用下式表示

在公式两边取对数，则可得

式中，S为使用概率，即达到或超过Ls寿命的轴承相对数量；Ls表示与S相对应的轴承寿命；e为威布尔分布斜率，一般对球轴承取10/9，对滚子轴承取9/8；A为常数；上式称为滚动轴承疲劳寿命的威布尔分布[5]。

2 滚动轴承额定动载荷与寿命

2.1 滚动轴承额定动载荷

滚动轴承的基本额定动载荷是在一定的运转条件下确定的，在进行轴承寿命计算时，必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷，用字母P表示。对于以承受径向载荷为主的轴承，称为径向当量动载荷，常用Pr表示，对于以承受轴向载荷为主的轴承，称为轴向当量动载荷，常用Pa表示。当量动载荷P的一般计算公式为

式中，X，Y分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数，其值可以查轴承手册。实际上，在许多支承中还会出现一些附加载荷，如冲击力、不平衡作用力、惯性力以及轴挠曲或轴承座变形产生的附加力等，为了考虑这些影响，可对当量动载荷进行经验修正，故实际计算时，轴承的当量动载荷应为

式中，fp为载荷系数。

2.2 基本额定寿命

轴承的基本额定寿命按式(5)计算

式中，Lh10指失效概率为10%的基本额定寿命，h；n为转速，r/min；C为轴承的基本额定动载荷，N；P由设计载荷确定的轴承当量动载荷，N；E是寿命指数，对球轴承为3.0，对滚子轴承为10/3。有载荷谱时，轴承的当量动载荷应为平均当量动载荷，并按式(6)计算。

式中，Pm为平均当量动载荷，N；N为总循环次数。当无典型载荷谱时，轴承平均当量动载荷根据额定载荷的60%P60叠加±30%的正弦交变分量进行计算[6]。

式中，Pmax=1.3P60；Pmin=0.7P60。另外，对于向心轴承（公称接触角α≤45），P取纯径向载荷，对于推力轴承（α>45），P取纯径向载荷。当同时承受径向载荷和轴向载荷时，要将其换算成纯径向载荷（如为向心轴承）或纯轴向轴承（如为推力轴承）后进行寿命计算。我们把它称为当量动载荷。

2.3 修正额定寿命

由于轴承钢纯净度的提高以及加工方法、润滑剂、润滑方法等技术的进步，呈现长寿命的轴承不断增加。于是在1990年，对ISO标准进行了修正，对以往的C乘以一额定系数bm≥1，即以C×bm作为新的基本额定动载荷。给出了修正额定寿命的计算式[7]，即

式中，a1为可靠度寿命修正系数；a2为轴承性能寿命修正系数。1≤a2≤3;a3为运转条件寿命修正系数，根据润滑的优劣，取>1或者<1的值。轴承所表现出来的复杂特性对主轴的支承边界条件有一定的影响，此种分析方案的典型代表是商业软件Romax及其所参考的各行业标准，如DIN/ISO281等[8]。

3 基本型传动链主轴轴承寿命分析

3.1 传动链建模

在Romax软件中，根据零部件相关尺寸建立基本型5种结构形式的传动链模型，如图2所示。

3.2 计算分析过程

1 )主轴材料特性。主轴的材料特性为屈服极限σs=590MPa；抗拉强度σb=780MPa；弹性模量：E=2.06e5MPa；泊松比：μ=0.3；密度：ρ=7.8e-9T/mm3。

2）边界条件。风轮重力为29.068T，故在主轴法兰处加载集中力2.85e5N，集中力矩为3.16e5N·m。

3）轴承使用型号。5种结构形式的传动链所使用的轴承参数如表1所示。

表1 轴承参数

3.3 轴承寿命结果

轴承损伤（轴承工况寿命/轴承预测寿命=损伤值）[8]，通过Romax计算，得出各个轴承的ISO281修正寿命结果如表2所示。

表2 轴承寿命结果

4 轴承未失效率的可靠性分析

机械传动系统的可靠性模型可分为串联系统可靠度、并联系统可靠度、混联系统可靠度、K/N系统可靠度等[9]，风电机组主轴轴承的可靠性分析属于串联系统可靠度模型。

根据GL规范，风电机组可靠运行时间必须超过20h，代入Ls=20×365×24=175200h，S一般取0.9，根据式(1)可以得到20a轴承未失效率，基于20a轴承未失效率的可靠性测评值如表3所示。

表3 主轴轴承未失效率

5 结论

本文从定量的角度对5种传动链主轴轴承进行了寿命分析，结果表明，传动链的结构形式对主轴轴承的可靠性影响很大，Ⅳ型传动链由于载荷分配特性比较好，其可靠性最高。同时，运用威布尔分布公式得到20a基本型5种结构形式主轴轴承的未失效率，并以未失效率为数据量化了风电机组主轴轴承的可靠性。为风机发电机组传动链的设计提供了参考依据。

[1]Poore R，Lettenmaier T.Alternative Design Study Report：WindPACT Advanced Wind Turbine Drive Train Designs Study[R].America：National Renewable Energy Laboratory，2003.

[2]Harris T A，Kotzalas M N.Rolling Bearing Analysis-Essential ConceptsofBearingTechnology[M].NewYork：Taybor&Francis journals，2007.

[3]万长森.滚动轴承的分析方法[M].北京：机械工业出版社，1987.

[4]余俊.滚动轴承计算[M].北京：高等教育出版社，1993.

[5]刘泽九，贺士荃.滚动轴承的额定负荷与寿命[M].北京：机械工业出版社，1982.

[6]刘伟辉，宣安光.GB/T 19073-2008.中华人民共和国国家标准-风力发电机组齿轮箱[S].北京：中国标准出版社，2008：12-14.

[7]冈本纯三.球轴承的设计计算[M].北京，机械工业出版社，2002.

[8]Romax Technology.Romax Designer Release Notes[M].UK：Romax Technology Limited，2005.

[9]黄洪钟.机械传动可靠性理论与应用[M].北京：中国科学技术出版社，1995.

Analysis on the Working Life of Main Bearing of MW Grade Wind Turbines

SHI Bing-nan1，YUAN Dai-ying2，LIU Wei3
（1.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang 618000，Sichuan Province,China;2.DepartmentofTrafficandMunicipalEngineering,SichuanCollegeofArchitecturalTechnology,Deyang 618000,SichuanProvince,China;3.The State Key Laboratory of Mechanical Transmission of Chongqing University,Chongqing 400030,China）

By means of Romax software,five types of the main shaft bearing of the wind turbines with basic drive chains were analyzed in terms of working life using non-Failure Rate as an indicator,and the reliability of the main shaft bearing was also quantitatively analyzed.The results show that theⅣtype drive chain structure has better load distribution characteristics and the highest reliability,indicating that the drive chain structure has a larger impact on the reliability of the main bearing.

wind turbines;main bearing;working life of bearing

以未失效率作为评价指标，运用Romax软件对风力发电机组基本型传动链的5种结构形式的主轴轴承进行了寿命分析，定量分析了主轴轴承的可靠性。分析结果表明，Ⅳ型传动链结构形式的载荷分配特性较好、主轴轴承可靠性最高。说明了传动链的结构形式对主轴轴承的可靠性影响较大。

风力发电机组；主轴轴承；轴承寿命

重庆市科技攻关计划项目(CSCT2007AB3052)。

1674-3814（2010）08-0050-03

TH136

A

0 引言

风力发电机组主轴轴承由于承受扭矩、转速波动范围大，传输载荷容易突变，就要求其有较高的承载能力和传动平衡精度。另外，风力发电机组工作环境极为恶劣，维护保养困难，轴承不但要耐受强烈的风沙和各种腐蚀，还要承受较大的温差。因此，对风力发电机组轴承的寿命研究，就成为当前风电界的难点和重点。

2010-05-29。

石秉楠(1984—)，男，硕士，主要研究风力发电技术及装备。

（编辑 徐花荣）