基于RomaxCLOUD的風(fēng)電齒輪箱軸承設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

趙圣卿，陳原，牛青波，李燕春，陳懷剛

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速齒輪箱是連接風(fēng)葉主軸和發(fā)電機(jī)的重要部件，要求壽命長(zhǎng)、可靠性高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高。隨風(fēng)機(jī)功率的提高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速齒輪箱在滿足轉(zhuǎn)速和載荷要求前提下，還要求體積小、重量輕［1］。軸承是增速齒輪箱的關(guān)鍵零件之一，有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。以1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱高速軸支承軸承NU228為例，基于RomaxCLOUD軸承設(shè)計(jì)與仿真分析系統(tǒng)，對(duì)其主參數(shù)、徑向游隙、滾子凸度、潤(rùn)滑狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并模擬使用工況搭建試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 RomaxCLOUD系統(tǒng)簡(jiǎn)介

RomaxCLOUD軸承設(shè)計(jì)與仿真分析系統(tǒng)是洛陽軸研科技股份有限公司與英國Romax科技有限公司共同研發(fā)并且擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高級(jí)軸承設(shè)計(jì)仿真分析云服務(wù)協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)［2］。其內(nèi)置了圓錐滾子軸承、深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承共5種軸承數(shù)據(jù)庫，以及軸承的尺寸公差、形位公差標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)軸承的參數(shù)化設(shè)計(jì)。RomaxCLOUD是專業(yè)的軸承性能仿真工具，以RomaxDesigner為仿真內(nèi)核，基于經(jīng)典的軸承分析理論和國際標(biāo)準(zhǔn)，考慮系統(tǒng)對(duì)軸承的影響，仿真計(jì)算更加精確。可通過RomaxCLOUD對(duì)軸承的剛度、壽命、載荷分布、位移、接觸應(yīng)力、潤(rùn)滑油膜分布等進(jìn)行分析計(jì)算。

2 設(shè)計(jì)輸入及系統(tǒng)建模

1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，NU228軸承位于高速軸輸出軸端。軸承外形尺寸為φ140 mm×φ250 mm×42 mm，滾子組節(jié)圓直徑為169 mm。工況條件如下：軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，徑向載荷為29.546 kN，工作溫度不大于100℃，油浴潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油牌號(hào)為 MOBILGEARXMPSHC320。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過RomaxCLOUD完成軸承主參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、軸系統(tǒng)建模分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定、軸承系統(tǒng)性校驗(yàn)。齒輪箱高速軸-軸系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖1 風(fēng)電齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of wind turbine gearbox transmission system

圖2 齒輪箱高速軸-軸系統(tǒng)模型Fig.2 High speed shaft-shaft system model of gear box

3 軸承設(shè)計(jì)

3.1 主參數(shù)優(yōu)化

常規(guī)設(shè)計(jì)通過幾何關(guān)系得到滾子直徑Dw、滾子長(zhǎng)度Lw、滾子組節(jié)圓直徑Dpw、滾子數(shù)Z，屬通用化設(shè)計(jì)，針對(duì)性不強(qiáng)。通過RomaxCLOUD軸承設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，針對(duì)實(shí)際工況，以額定動(dòng)載荷為優(yōu)化目標(biāo)，自動(dòng)調(diào)用內(nèi)部?jī)?yōu)化算法實(shí)現(xiàn)主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并可通過三維模型判斷軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否可靠，2種方法設(shè)計(jì)的主參數(shù)見表1。

表1 主參數(shù)Tab.1 Main parameters

2種方法設(shè)計(jì)得到的滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)靜載荷見表2，RomaxCLOUD設(shè)計(jì)的基本額定動(dòng)載荷提高了10%，基本額定靜載荷提高了8%。通過分析可知，通過RomaxCLOUD設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化主參數(shù)，滾子組節(jié)圓直徑增大、滾子直徑增大、滾子數(shù)增加，故軸承承載能力提高。

表2 額定載荷Tab.2 Rated load

3.2 其他參數(shù)確定

確定主參數(shù)后，除徑向游隙、滾子凸度外，其余參數(shù)均可通過幾何關(guān)系求得。RomaxCLOUD系統(tǒng)內(nèi)置了徑向游隙、凸度設(shè)計(jì)及分析功能，可對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2.1 徑向游隙

徑向游隙對(duì)軸承的載荷分布、壽命、溫升、摩擦力矩及振動(dòng)和噪聲影響較大，通過對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行分析可得到徑向游隙。在RomaxCLOUD建立的軸系統(tǒng)中輸入軸承原始徑向游隙、軸和座孔公差、溫度等，得出相應(yīng)的滾子載荷如圖3所示（內(nèi)外滾道接觸載荷曲線重合，每個(gè)點(diǎn)代表1個(gè)滾子，不受載的滾子在坐標(biāo)原點(diǎn)重合）。軸承工作游隙對(duì)滾子載荷分布會(huì)有影響，最大滾子載荷隨工作游隙的變化如圖4所示，當(dāng)工作游隙為-0.011 mm，滾子載荷最小，載荷分布均勻。考慮游隙對(duì)軸承摩擦力矩、溫升等性能的影響，可適當(dāng)增加工作游隙到0，進(jìn)而反推出軸承的原始游隙為 0.060～0.10 mm。通過該方法選定軸承游隙，能夠確保軸承載荷分布均勻，降低最大滾子載荷，提高承載能力。由圖4可知，當(dāng)軸承原始游隙為0.10 mm時(shí)，工作游隙為0.05mm，最大滾子載荷為8 558 N，該值可作為滾子凸度設(shè)計(jì)的輸入值。

圖3 滾子載荷分布Fig.3 Roller load distribution

圖4 最大滾動(dòng)體載荷隨工作游隙的變化Fig.4 Variation of the maximum roller load with working clearance

3.2.2 滾子凸度

風(fēng)電齒輪箱圓柱滾子軸承設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確定合理的滾子凸型及凸度，從而降低滾子和內(nèi)外圈接觸引起的邊緣應(yīng)力集中［3］，提高承載能力和使用壽命。凸度設(shè)計(jì)原則：輕載時(shí)，滾子與滾道之間具有合理的有效接觸長(zhǎng)度；重載時(shí)，接觸區(qū)不產(chǎn)生應(yīng)力集中。RomaxCLOUD系統(tǒng)提供圓弧修型、對(duì)數(shù)素線2種凸型設(shè)計(jì)方案。經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)數(shù)素線凸型的滾子可有效減少應(yīng)力集中，降低滾子與滾道之間的接觸應(yīng)力，故選擇對(duì)數(shù)素線凸型。

通過RomaxCLOUD系統(tǒng)得到NU228軸承滾子對(duì)數(shù)凸度曲線輪廓如圖5所示，滾子凸度分別為5，9，13μm時(shí)，滾子與內(nèi)、外圈的接觸應(yīng)力如圖6所示。凸度量較小（5μm）時(shí)，滾子端部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中；凸度量較大（13μm）時(shí)，應(yīng)力集中消失，但滾子有效接觸長(zhǎng)度減小；當(dāng)凸度量為9μm時(shí)，滾子接觸應(yīng)力沿滾子素線方向均勻分布。接觸應(yīng)力隨凸度值的變化如圖7所示，滾子與內(nèi)圈的接觸應(yīng)力大于外圈，滾子凸度為8～10μm時(shí)，接觸應(yīng)力較小，且分布均勻，故滾子凸度量選為8～10μm。

圖5 滾子對(duì)數(shù)凸度曲線輪廓Fig.5 Log convex profile of roller

圖6 滾子凸度為5，9，13μm時(shí)，沿滾子素線方向滾子與內(nèi)、外圈的接觸應(yīng)力Fig.6 Roller convexity volue is 5，9，13μm，the distribution of the contact stress between the roller and the inner and outer raceway along the roller generatrin.

圖7 接觸應(yīng)力隨凸度值的變化Fig.7 Variation of contact stress with convexity value

3.3 潤(rùn)滑狀況分析

潤(rùn)滑是影響軸承壽命的重要因素，在RomaxCLOUD系統(tǒng)中設(shè)置潤(rùn)滑油參數(shù)，并對(duì)油膜厚度進(jìn)行精確計(jì)算，以驗(yàn)證在特定工況下潤(rùn)滑油牌號(hào)選擇及軸承設(shè)計(jì)的合理性。內(nèi)外圈接觸區(qū)油膜厚度曲線如圖8所示，在角位置90°附近，即承載最大滾子處的油膜厚度較薄。經(jīng)分析計(jì)算，NU228軸承油膜厚度及相關(guān)參數(shù)見表3，該軸承最小油膜厚為0.8μm，油膜參數(shù)為3.35（當(dāng)油膜厚度參數(shù)λ＞3時(shí)，可明顯提高軸承壽命［4］），能夠滿足設(shè)計(jì)要求，通過對(duì)潤(rùn)滑分析可進(jìn)一步驗(yàn)證軸承設(shè)計(jì)的合理性。

圖8 油膜厚度曲線Fig.8 Curve of oil film thickness

表3 最小油膜厚度及相關(guān)參數(shù)Tab.3 Minimum film thickness and related parameters

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱高速軸支承軸承基本額定壽命要求達(dá)到30 000 h，臺(tái)架性能試驗(yàn)要求滿載試驗(yàn)時(shí)間不少于1 h［5］，故設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間為基本額定壽命的5‰。按照NU228軸承的實(shí)際工況設(shè)定試驗(yàn)軸承的轉(zhuǎn)速、載荷、潤(rùn)滑等條件，試驗(yàn)裝置如圖9所示，試驗(yàn)軸系為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)4套軸承，陪試軸承16028起軸向定位作用，驅(qū)動(dòng)軸通過方口剛性連接帶動(dòng)試驗(yàn)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，徑向載荷由徑向加載活塞通過承載套對(duì)中間2套軸承進(jìn)行加載，進(jìn)而傳遞給兩側(cè)試驗(yàn)軸承，試驗(yàn)軸承采用油浴潤(rùn)滑。

圖9 試驗(yàn)裝置Fig.9 Test equipment

記錄外圈溫度、振動(dòng)加速度等參數(shù)，得到外圈溫度、振動(dòng)加速度曲線分別如圖10、圖11所示。可以看出，隨試驗(yàn)進(jìn)行外圈溫度不高于95℃，主機(jī)振動(dòng)加速度趨于平穩(wěn)，滿足齒輪箱對(duì)軸承溫升、振動(dòng)性能的要求［6］。

圖10 溫度曲線Fig.10 Curve of temperature

圖11 振動(dòng)加速度曲線Fig.11 Curve of vibration acceleration

5 結(jié)論

基于RomaxCLOUD建立齒輪箱高速軸-軸系統(tǒng)模型，對(duì)NU228軸承主參數(shù)、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，確定了主參數(shù)、最佳徑向游隙范圍及滾子凸度值，顯著提高了軸承承載能力及使用性能，并通過潤(rùn)滑分析驗(yàn)證了潤(rùn)滑油選擇及軸承設(shè)計(jì)的合理性。經(jīng)臺(tái)架性能試驗(yàn)后，各項(xiàng)性能指標(biāo)正常，滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了通過RomaxCLOUD系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)主參數(shù)及相關(guān)參數(shù)的合理性，為風(fēng)電齒輪箱軸承的研究提供了參考。