局部結(jié)構(gòu)改變對偏航軸承結(jié)構(gòu)強度的影響

王偉，陳捷，高學海

(南京工業(yè)大學 機電一體化研究所，南京 210009)

風電轉(zhuǎn)盤軸承是風力發(fā)電機的重要部件，偏航軸承位于風力發(fā)電機的座艙底部，承載著風機的全部重量，其作用在于及時調(diào)整風力發(fā)電機的迎風角度。由于其安裝的位置不易拆卸，拆卸費用較高，所以對其綜合性能有很高的要求，一般要求其應(yīng)有20年以上的使用壽命。因此，開發(fā)一種內(nèi)置傳感器的偏航軸承，可以監(jiān)測軸承運行過程中各種實時信息的變化，及時掌握軸承的運行狀態(tài)，最大程度地延長轉(zhuǎn)盤軸承的壽命，降低維護成本。目前，帶有集成傳感器的軸承技術(shù)在國外已經(jīng)有了迅速的發(fā)展，如FAG，SKF等國際知名的軸承制造公司，都開發(fā)出集成有特殊功能傳感器的軸承單元，廣泛地應(yīng)用于汽車、工程機械、風力發(fā)電等重要領(lǐng)域[1]。下文將重點研究傳感器在偏航軸承中的置入位置及其置入位置結(jié)構(gòu)改變對偏航軸承局部應(yīng)力分布和強度的影響。

1 傳感器安裝位置的確定

1.1 傳感器安裝方式

在偏航軸承中嵌入了軸向、徑向位移傳感器和溫度傳感器，以監(jiān)測其工作過程中的軸向、徑向位移和潤滑脂溫度，如圖1～圖3所示。軸向和徑向位移傳感器選用非接觸式電渦流傳感器，傳感器探頭距被測靶面2.5 mm進行安裝；溫度傳感器選用接觸式鉑電阻溫度傳感器，鉑電阻測頭探入轉(zhuǎn)盤軸承桃形溝道中，與溝道中的潤滑脂接觸檢測其溫度。

圖1 徑向位移傳感器安裝位置

圖2 軸向位移傳感器安裝位置

圖3 溫度傳感器安裝位置

1.2 傳感器方位的確定

轉(zhuǎn)盤軸承套圈的滾道經(jīng)表面感應(yīng)淬火會產(chǎn)生一個軟帶區(qū)，通常將軟帶安裝在承載能力最小的位置，堵球塞一般處于淬火軟帶的位置。圖4為風電偏航軸承運動時各點受力情況，堵球塞安裝在承載能力較小的A或C處，而B，D處所受的載荷較大，是綜合載荷作用下最大軸向變形和磨損的發(fā)生點，也是偏航軸承發(fā)生失效的危險點，因此在B，D處分別安裝1個軸向位移傳感器。

圖4 偏航軸承工況下各點受力情況

由于徑向跳動在各個方向都有可能發(fā)生，因此，在A，B，C和D處均安裝1個徑向位移傳感器。

溫度傳感器可根據(jù)軸承運行的實際工況，在溝道上內(nèi)置若干溫度傳感器，實時監(jiān)測溝道的潤滑脂溫度變化情況。

2 傳感器位置處溝道載荷[3-6]

偏航軸承溝道所受的載荷就是鋼球?qū)系赖膲毫Γ總€鋼球與溝道的接觸載荷為

Q=f(K,δa,δr，θ,h,α,Dpw，φi) ，

(1)

式中：K為鋼球與溝道間的接觸剛度；δa為動圈軸向位移量；δr為定圈徑向位移量；θ為動圈傾覆角；h為溝道中心水平偏心距；α為原始接觸角；Dpw為球組節(jié)圓直徑；φi為鋼球位置角。

鋼球與溝道的接觸可以近似為點接觸，由Hertz理論得，接觸載荷與接觸變形的關(guān)系為

Q=Kδn，

(2)

式中：δ為鋼球與溝道的接觸變形量；n為Hertz接觸指數(shù)(球軸承n=1.5)。

在靜載狀態(tài)下，偏航軸承平衡方程為

(3)

(4)

(5)

式中：Z為鋼球數(shù)；Fa為軸承承受的軸向力；Fr為軸承承受的徑向力；M為傾覆力矩。

由文獻[7]可以得出載荷分布和最大接觸載荷的經(jīng)驗方程為

(6)

(7)

以某公司生產(chǎn)的風力發(fā)電機偏航軸承為研究對象，參數(shù)如下：球組節(jié)圓直徑Dpw=2 410 mm，鋼球直徑Dw=50.8 mm，鋼球數(shù)Z=132，徑向力Fr=610.4 kN，軸向力Fa=1 524.1 kN，傾覆力矩M=6 456.7 MPa，溝道曲率r=1.04。通過文獻[7]的經(jīng)驗方程以及利用Newton-Raphson法迭代計算得出，鋼球?qū)系赖淖畲蠼佑|載荷Qmax=131.5 kN。

3 傳感器安裝結(jié)構(gòu)對軸承性能的影響

3.1 評價方法

嵌入傳感器的軸承結(jié)構(gòu)將對軸承的性能產(chǎn)生影響，文獻[8]給出了下面的評價指標。

軸承結(jié)構(gòu)改變后引起的最大接觸應(yīng)力比為

(8)

式中：Sm為結(jié)構(gòu)改變后軸承的最大接觸應(yīng)力；So為未改變結(jié)構(gòu)軸承的最大接觸應(yīng)力。

軸承結(jié)構(gòu)改變后引起的最大變形比

(9)

式中：um為結(jié)構(gòu)改變后軸承的最大變形；uo為未改變結(jié)構(gòu)軸承的最大變形。

軸承的最大許用載荷

(10)

式中：P為廠家給定的最大許用載荷；Pm為結(jié)構(gòu)改變后的最大許用載荷。

軸承的最大許用應(yīng)力和變形的增長率分別為

(11)

文獻[8]介紹的軸承結(jié)構(gòu)改變之后，最大接觸應(yīng)力的增長率為8.6%，最大變形量的增長率為15.2%，最大變形量的增長率大于最大接觸應(yīng)力的增長率，因此，其研究的軸承在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)該將最大變形量的增長率作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要考慮因素，并可由(10)式得出結(jié)構(gòu)改變后軸承的最大許用載荷。

3.2 軸承的結(jié)構(gòu)分析[9]

利用三維建模軟件UG對偏航軸承進行參數(shù)化實體建模，將建好的模型導入ABAQUS中，劃分網(wǎng)格，生成有限元模型。根據(jù)需要選擇材料，施加載荷和約束，得到部件的接觸應(yīng)力及變形的分析結(jié)果。修改模型得到嵌入徑向位移傳感器的軸承的局部結(jié)構(gòu)，用同樣的方法進行有限元分析，并與原偏航軸承結(jié)果進行對比，分析嵌入傳感器的軸承中安裝傳感器位置處結(jié)構(gòu)的改變對原軸承局部應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)強度的影響。

3.2.1 未安裝傳感器時實體模型接觸受力分析

通過三維建模軟件UG對單排四點接觸式球軸承進行實體建模，并截取安裝傳感器的部分結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

由于此次研究的是軸承安裝傳感器位置的受力情況，所以將軸承模型簡化，截取一個鋼球與其對應(yīng)的溝道，在ABAQUS中進行接觸受力分析。導入ABAQUS后生成有限元模型，對鋼球和溝道的接觸表面進行網(wǎng)格細化，生成網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 有限元網(wǎng)格

本次分析的轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈為定圈，固定安裝在凸緣上，所以在添加約束時，將其下表面設(shè)定為完全約束。鋼球?qū)系喇a(chǎn)生以軸承水平面為基準近似45°，131.5 kN的接觸載荷，因此，將球體耦合到鋼球的中心，并在x，y方向?qū)χ行氖┘泳鶠?3 kN的載荷。運行ABAQUS進行計算，得到有限元計算結(jié)果，其等效的接觸應(yīng)力和位移如圖6和圖7所示。

圖6 原模型的接觸應(yīng)力云圖

圖7 原模型的變形云圖

由應(yīng)力云圖可以看出，鋼球與溝道的最大接觸應(yīng)力為3 393 MPa，鋼球與溝道的接觸位置為應(yīng)力集中區(qū)，而溝道的最大變形發(fā)生在上邊緣以及溝道內(nèi)與鋼球的接觸位置，最大變形量為0.204 7 mm。

3.2.2 安裝傳感器后模型的接觸受力分析

在內(nèi)圈上安裝徑向位移傳感器，需要在內(nèi)溝道上開槽安裝固定支架。現(xiàn)改變實體模型，在軸承的上部開槽，根據(jù)位移傳感器的尺寸確定槽的寬度為20 mm，改變槽的高度和長度，進行有限元分析。

在溝道的上表面開一個高7 mm，寬20 mm，長度分別為32，36，40，44和48 mm的長方形槽，通過分析得到溝道的最大接觸應(yīng)力和最大變形量，見表1(原模型槽長設(shè)為0)。

表1 槽長變化對最大接觸應(yīng)力及變形量的影響

由表1可以看出，偏航軸承上端開一個長度為32 mm，高為7 mm的傳感器安裝槽后，最大接觸應(yīng)力增加了12.38%，應(yīng)力的增加最終導致結(jié)構(gòu)改變后的偏航軸承承載能力降低。因此原有偏航軸承結(jié)構(gòu)改變后，需要重新校核其承載能力，確保其接觸應(yīng)力不會超過溝道的許用接觸應(yīng)力。

在槽高不變的前提下，槽長從32 mm增加到48 mm后，最大接觸應(yīng)力和最大變形量的變化率增大的幅度分別為0.61%和0.293%，變化幅度不大，這說明最大接觸應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形對槽長變化不敏感，槽長變化不是導致最大接觸應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形增加的主導因素。

在溝道的上表面開一個長40 mm，寬20 mm，高度分別為3，5，7，9和11 mm的長方形槽，通過分析得到溝道的最大接觸應(yīng)力和最大變形量，見表2(原模型槽高設(shè)為0)。圖8為槽高5 mm的接觸應(yīng)力云圖；圖9為槽高5 mm的變形云圖。

表2 槽高變化對最大應(yīng)力及變形量的影響

圖8 槽高5 mm的接觸應(yīng)力云圖

圖9 槽高5 mm的變形云圖

由表2可以看出，在槽長不變的前提下，槽的高度從3 mm增加到11 mm后，最大接觸應(yīng)力和最大變形量的變化率增大的幅度分別為5.1%和0.782%，變化幅度比較大。這說明最大接觸應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形對槽高的變化比較敏感，槽高變化是導致最大接觸應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形增加的主導因素，在嵌入傳感器的偏航軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須嚴格慎重確定槽高，并在設(shè)計完成后重新校核軸承的承載能力。

從表1、表2的結(jié)果可以得到，偏航軸承傳感器安裝結(jié)構(gòu)改變時對應(yīng)的接觸應(yīng)力變化率增幅遠大于變形變化率增幅，可見最大接觸應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的改變更為敏感，在評價該軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣時應(yīng)以最大接觸應(yīng)力變化率為主要評價參數(shù)。

文中還涉及到溫度傳感器及軸向位移傳感器的安裝，溫度傳感器直接安裝在注油孔中，軸向位移傳感器安裝在外部支架上，均不改變軸承的結(jié)構(gòu)，在此不予討論。

4 結(jié)束語

(1)對現(xiàn)有轉(zhuǎn)盤軸承作適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)改變，可以將位移傳感器、溫度傳感器等置入轉(zhuǎn)盤軸承，開發(fā)出可以實時監(jiān)測運行過程中磨損、低頻振動、潤滑脂溫度等信號的轉(zhuǎn)盤軸承。

(2)風電轉(zhuǎn)盤軸承在裝機時應(yīng)避免淬火軟帶承受重載，重載區(qū)域為轉(zhuǎn)盤軸承損傷的危險區(qū)域，位移傳感器應(yīng)布置于轉(zhuǎn)盤軸承的重載區(qū)域，監(jiān)測重載區(qū)域的磨損和低頻振動情況；溫度傳感器可以根據(jù)實際工況需要，沿轉(zhuǎn)盤軸承定圈周向布置，溫度傳感器測頭探入轉(zhuǎn)盤軸承溝道的潤滑脂中。

(3)研究表明，由于傳感器安裝位置的結(jié)構(gòu)改變，偏航軸承溝道最大接觸應(yīng)力增幅在10%～15%，因此安裝有傳感器的軸承在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，必須重新校核承載能力。

(4)由于偏航軸承開槽位置、開槽方式及受力情況不盡相同，最大接觸應(yīng)力和最大變形都有可能作為軸承設(shè)計的限制因素。偏航軸承傳感器安裝結(jié)構(gòu)改變時，對應(yīng)的接觸應(yīng)力變化率增幅遠大于變形變化率增幅，最大接觸應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的改變更為敏感，在評價結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣時應(yīng)以最大接觸應(yīng)力變化率作為主要評價參數(shù)。