基于風電軸承加工幾何誤差分析的雙柱立車精度設計方法

姜佳利++林福嚴++胡翰篇

摘 要：本文首先對典型工件偏航軸承、變槳軸承的關鍵部位——桃形滾道部分的外形特點及其加工精度保證的要點、難點進行了分析。綜合分析了引起加工精度難以保證的多種因素，初步設定了機床的各項精度指標。進而，分析了影響機床加工精度誤差源。再根據機床拓撲結構預測了工件加工的綜合精度指標實現的可能性。本文研究內容為機床精度設計提供了一種理論方法，對相關機床的研發設計工作具有一定的理論指導意義。

關鍵詞：偏航軸承；變槳軸承；雙柱立車；誤差分析；設計方法

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A

Abstract：In this paper， firstly， the characteristics of the key parts of the yaw bearing and the variable pitch bearing--the peach shaped raceway， and the key points and difficulties of the machining precision are analyzed. The various factors which cause the machining precision are difficult to be guaranteed are analyzed synthetically， and the precision parameter of the machine tool is established. Secondly， the error source of machining precision is analyzed. At last， according to topological relation graph of the machine tool， the possibility of the realization of the comprehensive precision index is predicted. The research of this paper provides a theoretical method for the precision design of the machine tool， which has some theoretical significance for the research and design of the relevant machine tools.

Keywords： Yaw bearing； Variable pitch bearing；Double column vertical lathe； Error analysis；Design method

開發可再生清潔能源是解決能源危機和環境問題的關鍵，風能資源在地球表面儲量豐富，是目前發展最快和應用最廣泛的清潔可再生能源之一。根據相關部門的統計資料預測，全球風電累計裝機容量在2020年將達到792GW，有可能超過核電和水電成為第二大主力電源。

偏航軸承和變槳軸承是風力發電機組核心部件，由于承受不定風力所產生的沖擊載荷，具有間歇工作，啟停較為頻繁，傳遞扭矩較大，傳動比高的特點，軸承的各項加工精度指標的實現，對金屬加工機床提出了特殊的要求。

本文針對風電設備中偏航軸承、變槳軸承加工用雙柱立式車床設計過程進行研究，將雙柱立車精度指標的設定與偏航軸承、變槳軸承的加工精度要求有機地整合在一起，為同類機床設計提供了一種可借鑒的設計方法。

1.風電軸承零件精度分析

某型號風力發電機組，變槳軸承直徑φ3050mm，采用雙桃形溝滾道，主要精度指標：曲率半徑R=34.13±0.08mm，接觸角45°±1°，溝心距95±0.02mm。

曲形雙四點接觸角接觸軸承的桃形溝接觸幾何關系如圖1所示。

符號名稱：

按照上述數據對公式進行校核：

接觸角相等，說明公式正確。

根據接觸角誤差 β=44°～46°范圍內合格

設定R不變，則誤差大小推導如下：

求得x=1.132mm

則Δx=1.132-1.153=-0.021mm

即Z軸方向偏心量誤差為-0.021mm時，接觸角變化1°。

當，求得：

2.雙柱立車精度指標設定

桃形溝曲率半徑誤差+0.03時，接觸角減小1° 在實際加工過程中，桃形溝圓弧中心偏心位移量和桃形溝圓弧曲率半徑都是變化量。將這兩個變化量分解到機床Z軸和X軸上。通過幾何關系換算及軟件分析換算：Z軸精度影響因素為1）桃形溝圓弧中心偏移量x，溝心距L及桃形溝圓弧曲率半徑R。工作臺端徑跳0.01mm時影響接觸角1°。

通過以上零件精度分析，初步認定Z軸位置精度及工作臺端徑跳是影響零件精度主要因素，X軸位置精度因受圓弧滾道加工精度影響及ΔR=0.03mm影響。

初步設定：工作臺端徑跳精度0.005；X軸定位精度0.010mm；Z軸定位精度0.005mm；X軸、Z軸單脈沖微進給量0.001mm。

3.工藝切削參數設計及誤差源分析

該變槳軸承外形輪廓尺寸為直徑φ3050mm，材質為合金結構鋼42CrMo4，硬度為HB60。采用硬車技術進行軸承的精加工，通過切削力設算，取最大切削力F=6kN。切削刀具選用山特維克 C5刀具（切削力可達30kN）。切削參數分別為：進給量0.015mm/r，切深0.2mm，切削線速度150m/min。通過水冷方式進行加工中刀具的冷卻。

根據上述零件精度誤差分析及切削參數設定，綜合考慮影響工藝系統的機床夾具，刀具等因素可以分析得出，機床加工精度引起桃形滾道精度誤差主要包括：endprint

（a）靜態、動態幾何誤差；

（b）數控伺服控制誤差；

（c）刀具剛度誤差；

（d）主機熱平衡帶來的誤差；

（e）環境溫度變化引起主機幾何精度變化；

（f）工裝夾具的因素。

這些因素作用在主機各部位，通過運動鏈傳遞并最終體現在刀尖和工件加工點之間的相對偏差，從而對工件的加工精度產生影響。通過對機床拓撲結構和誤差源進行協同分析，推導出誤差綜合運動學模型量化得出最終加工誤差與各項誤差元素之間的關系，即可得出各誤差對機床加工精度的影響。

4.基于多體系統理論的機床拓撲結構

多體系統理論能系統、完整地描述復雜的機械結構。數控機床作為典型的多體系統，各部件通過運動副（如移動副、轉動副等）相互連接。多體系統理論關鍵是其對運動的描述，利用綜合單元與整體的基本思想，通過分析典型體間的運動位姿關系，對復雜系統進行研究。

本文的研究對象為雙柱立式車床，其結構如圖2所示，圖中標注了該機床的運動軸及主要部件。

機床共有4個運動軸，分別為：

C軸——回轉工作臺的旋轉運動；

W軸——橫梁沿立柱升降的運動；

X軸——橫梁滑座在橫梁導軌上的水平進給運動；

Z軸——滑枕在橫梁滑座上的豎直進給運動。

根據機床的結構將其抽象成對應的多體系統拓撲結構，按自然數增長序列沿遠離機床固定部件的方向對各部件進行編號，如遇到一個部件上出現多條支鏈，則依次對每條支鏈進行編號。此處的固定部件為機床的床身（立柱）。床身（立柱）存在兩條支鏈，按照上述編號規則，結合各運動鏈中運動部件之間的關系，可得到圖3的拓撲模型。

描述拓撲結構的低序體陣列，通過式1計算得到：

Ln（K）=J Equation Chapter （Next） Section 1 Equation Chapter 2 Section 1 （1）

式中L為低序體算子，用來表征多體系統中各典型體的關系。典型體J稱為典型體K的n階低序體。低序體計算滿足如下關系：

由式（2）～式（4）可計算出圖3機床拓撲結構的低序體陣列，見表1。

5.坐標系建立及誤差元素分析

部件的幾何誤差、切削產生的熱誤差、切削力產生的振動及各種控制誤差是影響數控機床精度的主要誤差元素。其中絕大部分加工誤差由幾何誤差和熱誤差帶來。為描述各運動副的運動狀態及位姿關系，選擇建立在機床固定部件上參考坐標系O0。各坐標系的確定如下所述：

（1）參考坐標系O0：參考坐標系的原點O0以機床零點所在的工作臺平面與機床W軸相交確定；參考坐標系O0的Z0軸方向平行于工作臺C軸，以遠離工件方向為正，即向上為正；X0軸方向沿工件的徑向方向，向右為正；Y0軸由右手螺旋定則確定。

（2）局部坐標系O1～O6：坐標系O1與機床橫梁固連，原點O1位置由參考坐標系

（1）O0沿W軸移動至橫梁處確定；坐標系O2與機床橫梁滑座固連，原點O2位置由坐標系O1沿X軸移動至橫梁滑座處確定；坐標系O3與滑枕固連，原點O3位置由坐標系O2沿Z軸移動至滑枕端部確定；刀具坐標系Ot與刀具在安裝點固連；坐標系O4與工作臺固連，原點O4位置由參考坐標系O0平移至C軸處確定；工件坐標系Ow與工件固連。各局部坐標系的坐標軸Xi，Yi，Zi （i=1～4，w，t）分別平行于參考坐標系O0的坐標軸X0，Y0，Z0。

圖4給出了雙柱立式車床坐標系示意圖。

空間物體具有6個自由度，當機床部件沿某一運動軸運動時，會產生6項幾何誤差元素，該誤差元素可認為隨該部件的位移而變化，即每個誤差元素為該位移的函數。機床在理想狀態下，各部件之間靠運動副連接，僅存在一個移動或轉動自由度，但由于各誤差元素的作用使本該僅發生移動或轉動的活動部件在其他自由度上產生誤差。

各誤差元素對于機床的影響程度主要取決于機床在加工過程中部件的幾何誤差及運動行程。各部件的直線度誤差和定位誤差對機床精度有直接影響；機床的垂直度誤差、平行度誤差、角度誤差會在機床大行程的作用下，對其他誤差元素造成放大作用。

將最初設定的機床精度指標與機床拓撲結構相結合，在機床坐標系中進行換算即可預測出零件的最終加工精度，誤差僅限于環境溫度等客觀因素的不確定性。

結語

本文中提出的機床設計方法結合了現代的設計思想與理念，與傳統機床設計方法相比較，在機床同等剛度條件下，可以使部件間剛性分配更加合理。結合機床拓撲結構，針對零件的精度運用工藝分析方法，在滿足零件加工精度的同時，能夠以優化的結構和經濟的設計方案滿足各種不同零件的加工需求。

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