齒輪箱行星輪軸承失效分析及設計改進

紀云巧

（瓦房店軸承集團有限責任公司 工程中心，遼寧 瓦房店 116300）

1 前言

風電齒輪箱將葉片產生的動力傳遞給發電機發電，是風力發電設備的關鍵部件。為滿足發電機額定轉速需求，風電齒輪箱多采用多級行星齒輪傳動方式。在風電齒輪箱行星輪傳動組件中，無外圈滿裝圓柱滾子軸承得到廣泛應用，因為這種軸承完全是為了承受重載荷而設計的，具有極高的承載能力，尤其在外圈為斜齒輪的情況下，除了承受較大的徑向力，還要承受較大的軸向載荷。因此行星輪系軸承的可靠性對提高風電齒輪箱傳動可靠性具有重要意義。

2 軸承結構簡介

為某用戶齒輪箱行星輪提供的圓柱滾子軸承，見圖 1。此圓柱滾子軸承無外圈，采用的是一體黃銅保持架。保持架內引導，同時采用外側帶鎖點結構，滾子從保持架外徑處通過鎖點裝入保持架與內圈滾道之間。

圖1 圓柱滾子軸承結構簡圖

d1——內圈擋邊的直徑

Dw——滾動體直徑

3 軸承失效原因分析

圖 2 所示為典型的軸承失效狀態。

圖2 軸承失效圖

從上圖可以看出軸承的主要失效形式為滾動體及套圈擋邊大塊材料掉落，初步分析受到了較強的軸向力。而由于行星輪軸承外圈為斜齒輪的原因，行星輪軸承本身就承受了很強的軸向分力。應客戶要求，對于行星輪軸承內圈擋邊高度系數取 0.4*Dw，以此來提高軸承的軸向承載能力，但依然出現材料掉落的失效形式，因此，對行星輪軸承進行 Ansys 分析。分析結果如下：

以 RNN4256 為例，當擋邊高度系數為 0.4* Dw，即 d1= φ386.4mm 時，從圖 3 可以明顯看出擋邊外徑仍然處于載荷區內。

圖3 擋邊外徑處于載荷區內

當取擋邊高度系數為 0.45*Dw，即 d1= φ392mm 時，從圖 4 可以明顯看到擋邊外徑處于載荷區外。

圖4 擋邊外徑處于載荷區外

4 軸承設計改進

為了減小滾子與軸承擋邊的軸向應力，除了增大內圈擋邊直徑外，同時對內圈擋邊及滾動體端面進行修形改進，進而減小了軸承的溫升。

改進措施：圓柱滾子端面由直端面改為弧端面，同時套圈擋邊由直擋邊改為帶角度擋邊，見圖 5。

圖5 滾子端面和套圈擋邊的改進

滾子端面的弧度與斜擋邊中間橢圓標記位置處接觸。滾動體端面采用直端面與弧端面的區別可以通過 Ansys 進行模擬分析，分析結果如下。

由圖 6 可以看出，當滾動體端面為直端面時，套圈擋邊與滾動體端面的接觸痕跡為很窄的一段圓弧，擋邊的最大接觸應力為 894MPa。

圖6 滾動體端面為直端面

當滾動體端面為弧端面時，套圈擋邊與滾動體端面的接觸范圍在一個橢圓內，擋邊的最大接觸應力為 251MPa，見圖 7。

圖7 滾動體端面為弧端面

通過對比可知，對滾動體端面進行球面修形設計后，在軸承實際運轉過程中，軸承套圈擋邊的受力將會明顯降低，同時接觸方式的改變也減小了軸承的溫升。

5 結束語

對于行星輪軸承，尤其是外徑帶斜齒輪的行星輪軸承，低速重載，同時承受軸向分力，因此設計行星輪軸承時必須要考慮軸承擋邊的強度，同時要考慮行星輪軸承易發熱的情況。針對軸承的實際運行工況對軸承進行相應的設計改進，從而降低軸承失效的幾率。