偏航、變槳軸承疲勞壽命的計算

陸雪忠，毛月新

(上海聯合滾動軸承有限公司，上海 200240)

1 軸承內部載荷分布

假設偏航(或變槳)軸承受軸向力Fa、徑向力Fr及傾覆力矩Mr的作用，則該軸承的最大鋼球載荷為

(1)

式中：Qmax為最大鋼球載荷；Dpw為球組節圓直徑；α為接觸角；Z′為承受一個方向軸向力的鋼球數，對于四點(或八點)接觸回轉支承，Z′=iZ;i為鋼球列數，Z為單列鋼球數。

整個球組載荷分布的計算方法為：(1)先計算在軸向力和傾覆力矩共同作用下鋼球承受的載荷；(2)計算在徑向力單獨作用下鋼球承受的載荷，最后，聯立求解兩者的矢量和即為整個球組的載荷分布。

根據彈性接觸力學理論[1]，在軸向力和傾覆力矩作用下第j個鋼球承受的接觸載荷為[2]

(2)

(3)

式中：Qamax1，Qamax2為軸向最大鋼球載荷；φ為鋼球位置角；θ為軸承傾斜角；δamax1，δamax2為鋼球的最大軸向接觸變形；j=1,2,…,Z。若軸向力作用方向為正，Qamax1，Qaφj1和δamax1為正；Qamax2，Qaφj2和δamax2為負。當軸承不受徑向力時，Qamax1=Qmax。

當軸承在徑向力作用下，任意位置角處鋼球的載荷分布如圖1所示。當Fa=0，Mr=0時，Qrmax=Qmax，且鋼球組載荷分布為

圖1 鋼球組徑向載荷分布

Qrφj=Qrmaxcos1.5φj，

(4)

式中：Qrmax為徑向最大鋼球載荷；Qrφj為第j個鋼球承受的徑向載荷。

若鋼球變形在彈性范圍內，則當軸向力、徑向力以及傾覆力矩共同作用于軸承時，鋼球載荷分布為

(5)

2 疲勞壽命計算

根據軸承疲勞壽命理論[3]，溝道額定動載荷為

D1.8Z-1/3，

(6)

式中：上符號用于內圈溝道；下符號用于外圈溝道。

根據所計算的軸承內部載荷分布，套圈溝道的鋼球當量載荷為

(7)

(8)

式中：Qeμ為旋轉套圈溝道的鋼球當量載荷；Qeυ為靜止套圈溝道的鋼球當量載荷。

則旋轉和靜止套圈的溝道壽命分別為

(9)

(10)

式中：Lμ為旋轉套圈溝道疲勞壽命；Lυ為靜止套圈溝道疲勞壽命。

將(6)～(8)式代入(9)和(10)式，偏航、變槳軸承的疲勞壽命為

(11)

式中：e為Weibull斜率，e=1.11。另外，在計算疲勞壽命時需考慮可靠性系數a1、材料系數a2以及運轉條件系數a3等修正系數的影響。

3 計算示例

現針對某1.5 MW風力發電機用偏航軸承，計算其疲勞壽命。該偏航軸承為雙列回轉支承，根據風電公司所提供的載荷譜可計算出該軸承的當量載荷為：Mr=1 281 kN·m，Fr=190 kN，Fa=1 180 kN。軸承的主參數為Dw=45 mm，Dpw=2 333 mm ，Z=144粒，α=45°，內、外溝道曲率半徑Re=Ri=24.3 mm。由(1)式得最大鋼球載荷Qmax=17.909 kN；由(2)～(5)式得出所有鋼球的載荷分布，如圖2所示。

圖2 不同角位置處鋼球載荷分布

由(6)～(8)式得：Qeμ=8 910 kN，Qeυ=9 414 kN，Qcμ=7 513 kN，Qcυ=7 544 kN。從而由(9)～(11)式可得該軸承疲勞壽命L=309 000轉。

4 結束語

文中給出了在軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩共同作用下，偏航、變槳軸承的疲勞壽命計算方法。雖然疲勞壽命不是偏航、變槳軸承的主要失效形式，但是從考慮問題的全面性出發，疲勞壽命的計算也是該軸承設計的一個重要基礎。