基于Romax的風機低速輸入軸軸承疲勞壽命分析

王佳偉，王春秀，慕松，楊旭東

(寧夏大學 機械工程學院，銀川 750021)

風力發電機組低速輸入軸軸承是風機主傳動鏈的核心部件之一，其性能的好壞直接關系到整體機組運行的可靠性[1-2]。風力發電機組多安裝在偏遠地區的高空中，大型運輸機械不易到達，風機低速輸入軸軸承一旦發生損壞，拆卸困難，維修費用高，例如某公司的1.0MW風機低速輸入軸軸承一次維修更換費用不低于30萬元。對1.0 MW風機低速輸入軸軸承進行疲勞壽命分析，了解徑向游隙、潤滑等參數對軸承壽命的影響，對增加風機低速輸入軸軸承使用壽命、提高風電機組運行可靠性、減少風力發電成本有重要意義。而RomaxDesigner軟件可對風機低速輸入軸軸承進行建模、靜動態分析、精確仿真及優化設計等[3]，其綜合方法可加速產品的設計開發過程，節約產品投入市場的成本和時間，因此，基于RomaxDesigner對風機低速輸入軸軸承進行疲勞壽命分析。

1 軸承疲勞壽命分析

1.1 建模

MWT100-1.0 MW型風力發電機組低速輸入軸軸承為雙列調心滾子軸承，型號為230/560/C9W33，其主要設計參數與低速輸入軸的尺寸見表1和表2。

表1 軸承主要設計參數

表2 風機低速輸入軸尺寸

風機低速輸入軸為階梯軸，可以分為7個軸段。根據表2中的數據，以軸段1的原點為起點，按照各軸段到原點的距離及其他相關數據在RomaxDesigner軟件中完成對風機低速輸入軸的建模；在軟件中新建軸承并將表1中軸承的相關數據輸入，完成對風機低速輸入軸軸承的建模，并根據軸承的實際位置將軸承設置到軸上相對應的位置[4-5]。風機低速輸入軸軸承設計載荷工況見表3，26種工況的作用時間之和為其全壽命周期值。根據表3中風機低速輸入軸軸承在全壽命周期下的設計載荷工況，將載荷數據添加到模型中，加載后的模型如圖1所示。

表3 風機低速輸入軸軸承設計載荷工況

圖1 加載后的模型圖

通過查看SCADA監測系統數據并計算可知，風機低速輸入軸軸承的年平均工作溫度為35.21 ℃，在RomaxDesigner中設置軸承的工作溫度為35.21 ℃，定義潤滑類型為脂潤滑，潤滑脂型號選擇默認值。

1.2 徑向游隙對其疲勞壽命的影響

風機低速輸入軸軸承游隙直接影響其壽命以及軸承滾子是否能正常運動。根據前面所述建模模型，在RomaxDesigner中對每種工況取不同的徑向游隙值，得到對應的軸承壽命，定義壽命比r1為

(1)

式中：Lδ為徑向游隙為δ時軸承的壽命；L0為徑向游隙為0時軸承的壽命。

匯總數據并在MATLAB軟件中繪制圖形，得到各工況下徑向游隙對軸承疲勞壽命的影響如圖2所示。

圖2 各工況下徑向游隙對其疲勞壽命的影響

圖2中共有26條曲線，與風機低速輸入軸軸承的26種設計載荷工況相對應(表3)，隨著軸、徑向載荷的不斷增加，壽命的起點越來越高(值更大)。為得到徑向游隙對全壽命周期下風機低速輸入軸軸承壽命的影響，保證結論的高可靠性，按照保守原則，取圖2中壽命最保險的部分曲線，結果如圖3所示。

圖3 全壽命周期下徑向游隙對其疲勞壽命的影響

由圖3可以看出，當風機低速輸入軸軸承的徑向游隙為-10～0 μm時，軸承壽命較高。當風機低速輸入軸軸承的徑向游隙過大或過小時，軸承壽命驟然縮短[6]。因此，對1.0 MW風機低速輸入軸軸承，在裝配的過程中應嚴格控制徑向游隙，選取徑向游隙為-10～0 μm。

1.3 潤滑對其疲勞壽命的影響

試驗表明，軸承潤滑狀態的優劣與其疲勞壽命密切相關。軸承滾動接觸面上潤滑狀態的優劣，由潤滑油膜參數Λ表示，定義為

(2)

式中：h為潤滑油膜厚度；R為軸承表面粗糙度Ra的值。

一般來說，軸承潤滑油膜參數值越大，潤滑狀態越好。這是因為當潤滑油膜參數較大時，軸承表面微小凸起之間接觸時不易發生表面起源剝落；若軸承表面沒有傷痕，則軸承壽命主要取決于內部起源剝落。潤滑油膜參數較小時，軸承表面微小凸起之間的接觸易導致表面起源剝落的產生，軸承壽命也將縮短[7-8]。

分析潤滑對風機低速輸入軸軸承疲勞壽命的影響時，在RomaxDesigner軟件中設置軸承徑向游隙為零，定義潤滑類型為脂潤滑，軸承表面粗糙度按GB/T 307.3—2005《滾動軸承 通用技術規則》規定選取，通過改變潤滑脂的運動黏度從而得到不同的潤滑油膜參數，得到相對應的軸承壽命，并定義壽命比r2為

(3)

式中：LΛ為內滾道油膜參數為Λ時軸承的壽命；L3為內滾道油膜參數Λ=3時軸承的壽命。

匯總數據并在MATLAB軟件中繪制圖形，得到各工況下的潤滑油膜參數對風機低速輸入軸軸承疲勞壽命的影響，如圖4所示。

圖4 各工況下潤滑油膜參數對其疲勞壽命的影響

圖4中曲線的2個極端拐點處所對應的最小潤滑油膜參數為2.437與3.21。當風機低速輸入軸軸承的潤滑油膜參數在2.437與3.21時，軸承壽命較高；當潤滑油膜參數小于等于0.5時，軸承壽命縮至1/10，這就是嚴重的表面起源剝落。綜合考慮風機低速輸入軸軸承在全壽命周期下的各工況可以看出，當潤滑油膜參數大于等于3.21時，軸承壽命比最高。因此，為使風機低速輸入軸軸承獲得較高的使用壽命，應使軸承潤滑油參數在3.21附近。

2 軸承疲勞壽命預測

對圖3中曲線數據進行擬合，得到擬合公式為

δ*=-0.000 3δ2-0.007 7δ+1.014 6，

(4)

式中：δ*為風機低速輸入軸軸承的游隙系數；δ為風機低速輸入軸軸承的徑向游隙。

傳統的L-P軸承壽命計算公式為[9]

(5)

利用(4)，(5)式可以得到考慮游隙的風機低速輸入軸軸承疲勞壽命預測公式為

(6)

利用(5)式并結合表1、表2中的數據計算可以得到，采用傳統L-P軸承壽命理論計算得到的風機低速輸入軸軸承的基本額定壽命為L10h=290 210 h，超過33年。

由(4)，(6)式可以計算得到不同徑向游隙下風機低速輸入軸軸承的疲勞壽命結果見表4。

表4 不同徑向游隙下風機低速輸入軸軸承疲勞壽命

3 結束語

分析1.0 MW型風力發電機組低速輸入軸軸承徑向游隙與潤滑對其疲勞壽命的影響，基于RomaxDesigner對風力發電機低速輸入軸軸承進行了仿真，得到了當軸承徑向游隙為-10～0 μm、潤滑油膜參數在3.21附近時，風電機組低速輸入軸軸承壽命最高；在L-P軸承壽命理論的基礎上，結合軟件仿真結果，提出了一種考慮徑向游隙的風機低速輸入軸軸承疲勞壽命預測公式，并計算得到了不同徑向游隙下的風機低速輸入軸軸承壽命預測值。