偏航、变桨轴承疲劳寿命的计算

2011-07-21陆雪忠毛月新

轴承 2011年4期

关键词：变桨套圈钢球

陆雪忠，毛月新

(上海联合滚动轴承有限公司，上海 200240)

1 轴承内部载荷分布

假设偏航(或变桨)轴承受轴向力Fa、径向力Fr及倾覆力矩Mr的作用，则该轴承的最大钢球载荷为

(1)

式中：Qmax为最大钢球载荷；Dpw为球组节圆直径；α为接触角；Z′为承受一个方向轴向力的钢球数，对于四点(或八点)接触回转支承，Z′=iZ;i为钢球列数，Z为单列钢球数。

整个球组载荷分布的计算方法为：(1)先计算在轴向力和倾覆力矩共同作用下钢球承受的载荷；(2)计算在径向力单独作用下钢球承受的载荷，最后，联立求解两者的矢量和即为整个球组的载荷分布。

根据弹性接触力学理论[1]，在轴向力和倾覆力矩作用下第j个钢球承受的接触载荷为[2]

(2)

(3)

式中：Qamax1，Qamax2为轴向最大钢球载荷；φ为钢球位置角；θ为轴承倾斜角；δamax1，δamax2为钢球的最大轴向接触变形；j=1,2,…,Z。若轴向力作用方向为正，Qamax1，Qaφj1和δamax1为正；Qamax2，Qaφj2和δamax2为负。当轴承不受径向力时，Qamax1=Qmax。

当轴承在径向力作用下，任意位置角处钢球的载荷分布如图1所示。当Fa=0，Mr=0时，Qrmax=Qmax，且钢球组载荷分布为

图1 钢球组径向载荷分布

Qrφj=Qrmaxcos1.5φj，

(4)

式中：Qrmax为径向最大钢球载荷；Qrφj为第j个钢球承受的径向载荷。

若钢球变形在弹性范围内，则当轴向力、径向力以及倾覆力矩共同作用于轴承时，钢球载荷分布为

(5)

2 疲劳寿命计算

根据轴承疲劳寿命理论[3]，沟道额定动载荷为

D1.8Z-1/3，

(6)

式中：上符号用于内圈沟道；下符号用于外圈沟道。

根据所计算的轴承内部载荷分布，套圈沟道的钢球当量载荷为

(7)

(8)

式中：Qeμ为旋转套圈沟道的钢球当量载荷；Qeυ为静止套圈沟道的钢球当量载荷。

则旋转和静止套圈的沟道寿命分别为

(9)

(10)

式中：Lμ为旋转套圈沟道疲劳寿命；Lυ为静止套圈沟道疲劳寿命。

将(6)～(8)式代入(9)和(10)式，偏航、变桨轴承的疲劳寿命为

(11)

式中：e为Weibull斜率，e=1.11。另外，在计算疲劳寿命时需考虑可靠性系数a1、材料系数a2以及运转条件系数a3等修正系数的影响。

3 计算示例

现针对某1.5 MW风力发电机用偏航轴承，计算其疲劳寿命。该偏航轴承为双列回转支承，根据风电公司所提供的载荷谱可计算出该轴承的当量载荷为：Mr=1 281 kN·m，Fr=190 kN，Fa=1 180 kN。轴承的主参数为Dw=45 mm，Dpw=2 333 mm ，Z=144粒，α=45°，内、外沟道曲率半径Re=Ri=24.3 mm。由(1)式得最大钢球载荷Qmax=17.909 kN；由(2)～(5)式得出所有钢球的载荷分布，如图2所示。