大型變槳軸承的力學性能研究現狀及展望

張洪偉，陳曙光，薛六濤，羅虹

(1.北京石油化工學院 機械工程學院，北京 102617；2.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100192；3.北京京冶軸承股份有限公司，北京 102617)

1 概述

風能作為可再生綠色資源受到世界各國的高度重視，近年來風力發電技術迅速發展，帶動了一大批配套設備行業的發展[1-2]。為了促進國產風電設備及其關鍵零部件生產企業的發展，國家發改委明確提出了我國風電場建設時本土風電設備的使用率要達到70%以上[1]。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)》中也提出要推進風電行業發展，實現大型風電設備的技術突破。與國外相比，我國對大型風電設備的研發較晚，技術相對落后[2]。軸承作為風電設備的關鍵零部件，技術難度大，制約著我國風電設備的發展[3-6]。

風電專用變槳軸承如圖1所示，安裝在高40～100m的塔架上，安裝及更換不便，變槳軸承可同時承受傾覆力矩、軸向載荷和徑向載荷，通常在低速重載的工況下工作，環境惡劣，且要求使用壽命不少于20年，這就對軸承的設計及制造工藝提出了更高的要求。四點接觸球轉盤軸承尺寸大，溝道結構復雜，加工及裝配難度大。與國外相比，我國自主研發的風電轉盤軸承性能與國外仍有一定的差距[5-6]。

圖1 風電專用變槳軸承

我國的低風速風能資源約占全國總面積的74%，隨著風力發電機組在低風速區的推廣，葉片設計及變槳策略都需不斷調整和優化，這就對變槳軸承的設計制造技術提出更高的要求。僅僅靠引進生產線制造軸承，不能促進變槳軸承制造技術的發展，必須深入研究變槳軸承的力學機理及疲勞特性，考慮實際工況，基于風電機組承受的空氣動力載荷、重力載荷、慣性載荷和運行載荷等，進行典型工況下的時序載荷計算，確定滾動軸承內部的載荷分布、接觸應力及變形等，并對滾道進行精確疲勞壽命計算，分析其承載及損傷機理，才能為轉盤軸承的設計提供參考。

變槳軸承工況條件惡劣，轉動范圍及轉速小，主要通過力學模型法和有限元法對其進行靜強度分析，這也是進行風電機組零部件強度分析及壽命設計的重要依據。力學模型法主要通過對變槳軸承承載前后幾何結構的變化進行分析，利用彈塑性力學相關理論建立力學平衡方程，得到相應的理論計算方法。由于變槳軸承力學問題的復雜性和力學模型的局限性，有限元法越來越受到學者的廣泛應用，成為研究變槳軸承載荷分布及力學分析的重要方法。

2 變槳軸承計算力學模型研究現狀

變槳軸承外圈無軸承座的支承，內圈無實心剛性軸的支承，在承受復雜外載荷時，軸承內外圈產生變形，會對滾動體載荷分布及接觸應力產生影響，以普通軸承的設計方法來指導變槳軸承的設計具有局限性。

文獻[7]分析了受載后的單排四點接觸球軸承的溝曲率中心變化以及軸承和支承結構的彈性位移，確定了實際接觸角與初始接觸角的關系，建立四點接觸大型轉盤軸承的承載能力計算模型，研究了在軸向力、徑向力及傾覆力矩聯合作用下，初始接觸角、密合度、游隙值以及支承結構剛度對軸承承載能力及實際接觸角的影響；文獻[8]考慮轉盤軸承載荷分布對軸承選型、校核的影響，以通用軸承的計算理論為基礎，開發了適用于計算單列大型轉盤軸承載荷分布的程序，證明了剛性支承結構基于余弦的接觸載荷分布，但該方法未考慮原始游隙對接觸載荷分布的影響；文獻[9]建立了在軸向力、徑向力及傾覆力矩聯合作用下四點接觸轉盤軸承的靜承載能力計算模型。

文獻[10]分析了單列四點接觸球轉盤軸承承受軸向載荷時球的受力情況，通過Hertz接觸理論及軸承幾何學理論推導出轉盤軸承的承載能力，分析了影響轉盤軸承承載能力的主要因素；文獻[11]闡述了變槳軸承承載后的幾何變形，分析了軸向力作用下接觸角的變化，又建立了變槳軸承載荷分布模型并進行求解，討論了游隙值與承載力的關系；文獻[12]通過對四點接觸球軸承的載荷與變形關系進行分析，得到軸承的主要參數與承載能力的關系；文獻[13]研究了空載條件下負游隙值對單排四點接觸球軸承接觸變形的影響，并在此基礎上推導出套圈的變形方程，得到在外載荷作用下球的接觸應力分布；文獻[14]基于剛性套圈假設，通過雙排四點接觸球軸承載荷分布理論計算在不同的負游隙值下各球的接觸載荷；文獻[15]對雙排四點接觸球軸承承載后的幾何參數進行分析，得到接觸角、球數以及游隙值對雙排四點接觸球軸承最大接觸力的影響；文獻[16]以穩定性理論為基礎，基于剛性和柔性套圈假設分析變槳軸承的載荷分布情況；文獻[17]根據四點接觸球軸承的載荷分布模型，分析軸承的載荷分布、承載能力以及壽命計算方法。

上述國內外力學模型大多集中在單排四點接觸球軸承上，主要以Hertz理論為基礎，一般假設套圈為剛性。隨風電單機裝機容量的不斷增大，單排四點接觸球軸承已不能滿足兆瓦級變槳軸承的需求，雙排四點接觸球軸承的應用越來越廣泛，變槳軸承尺寸隨單機裝機容量的增加而增大，基于剛性套圈的假設研究大型變槳軸承的力學特性具有局限性。

3 變槳軸承有限元分析研究現狀

變槳軸承尺寸大、受載復雜，而力學模型存在較多的簡化，試驗又具有局限性，因此，有限元法越來越受到國內外學者的廣泛關注。

文獻[18]假設實際接觸角與初始接觸角相同，以線性桿單元代替滾動體建立了滾動軸承有限元模型對軸承載荷分布進行分析；文獻[19]以包括轉盤軸承支承結構在內的整個系統為研究對象，通過有限元法對其載荷分布進行了研究；文獻[20]考慮了螺栓連接的剛度及非線性接觸特性對于大型軸承力學性能的影響，構建了二維有限元模型進行計算分析；文獻[21]提出了考慮結構彈性影響的四點接觸球轉盤軸承的載荷分布計算程序，并進行有限元計算；文獻[22]通過建立軸承的局部有限元模型研究了軸承的滾動體與套圈之間的接觸特性；文獻[23]采用桁架結構模擬轉盤軸承球與溝道的作用，建立轉盤軸承有限元模型，分別對剛性套圈和柔性套圈下的單列、雙列、三列轉盤軸承的承載能力進行研究；文獻[24]假設軸承受載后滾動體與套圈的作用與非線性彈簧單元特性相吻合，并通過與Hertz彈性接觸理論對比，驗證假設的正確性，通過該假設分析了不同承載條件下滾動體的接觸應力分布；文獻[25]假設接觸區域為長方形，為分析軸承受載后的溝曲率中心變化，由剛性梁單元牽引的非線性彈簧來替代鋼球的作用分析軸承靜承載能力。

文獻[26]建立了四點接觸球軸承的有限元模型，通過ANSYS Workbench對軸承的接觸應力及變形進行分析，并與Hertz理論對比；文獻[27]利用ANSYS Workbench對大型變槳軸承進行分析，討論了螺栓預緊力對載荷分布的影響；文獻[28]通過有限元法計算了單、雙變槳軸承的摩擦力矩；文獻[29]基于ABAQUS分析了變槳軸承的強度；文獻[30]基于ANSYS分析了變槳軸承連接螺栓的強度問題。

4 存在問題及展望

1) 國內對變槳軸承的力學性能分析進行了大量的研究，主要基于Hertz接觸理論，并建立了數學模型，并對有限元法進行嘗試。國內企業在設計變槳軸承時仍以經驗計算為基礎，缺少高效的有限元數值計算方法。

2) 在復雜工況下，風機軸承滾動體與滾道的接觸位置未知，套圈結構彈性變形、動態接觸應力及接觸彈性變形等具有較強的非線性，使得載荷分布和承載機理不同于傳統小型軸承，在應用中，軸承接觸界面參數及材料表面狀態對于低速重載軸承的滾道磨損疲勞具有較大影響，至今仍缺少一種考慮滾動體和滾道界面參數且適用于大規模接觸計算的力學模型或有限元模型。

3) Hertz接觸理論假設軸承內外圈完全剛性，更適用于計算小型軸承的內部載荷分布；傳統的Hertz理論未考慮接觸面微觀形貌對接觸狀態的影響，不能應用于微觀接觸機理的研究，其求解結果與實際情況有較大誤差，故需建立考慮軸承接觸界面的接觸理論。

4)現有大型變槳軸承的研究，常忽略表層物理力學性能狀態對于軸承力學性能及疲勞壽命的影響，經驗表明，軸承滾道表面硬度和淬硬層深度與其許用接觸應力存在一定的關系，表面硬化層及殘余應力狀態對疲勞壽命起主要作用，后續研究中，應引入表面完整性的影響，考慮滾道淬硬層及殘余應力等因素，建立基于表面完整性的疲勞壽命預測方法。

5) 現有變槳軸承研究重點集中于載荷分布及其靜強度上，通常是基于極限載荷進行分析，基于疲勞載荷的壽命計算較少，而變槳軸承服役工況復雜，對于極限載荷及疲勞載荷，涉及到較多載荷工況，獲得相對準確的計算載荷的方法非常重要，目前仍缺少復雜工況下的建模及仿真研究。 應建立風電機組系統動力學模型，通過有限元仿真及風場實測技術研究影響載荷的典型工況、影響載荷變化的因素及載荷變化規律，建立適用于風電機組載荷仿真分析的工況，進行典型工況的時序載荷計算，基于疲勞載荷和極限載荷進行接觸應力分析及全壽命的疲勞強度分析。