風電主軸調(diào)心滾子軸承中擋邊結構對其性能的影響

于慶峰，劉際軒

(舍弗勒貿(mào)易(上海)有限公司，上海 201804)

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，主軸軸承是風電機組的核心部件，對整個機組的壽命、性能和可靠性至關重要。陸上風電主流使用雙饋風電機組，主軸軸承一般采用調(diào)心滾子軸承。主軸軸承工作在腐蝕、風沙、潮濕、低溫等惡劣環(huán)境中，受載復雜，一直是風電機組中的薄弱部位，也是主要故障點[1]。此外，主軸軸承安裝及維護成本較高，在風電退補,風電平準化度電成本持續(xù)降低的大環(huán)境下，其穩(wěn)定性和可靠性成為主機廠關注的焦點。

國內(nèi)外對調(diào)心滾子軸承做了大量研究:文獻[2]基于多體系統(tǒng)(Multi Body System，MBS)軟件模擬了調(diào)心滾子軸承內(nèi)部接觸和摩擦，并進行試驗驗證，得到摩擦力矩和壓力隨載荷的變化情況，并對滾子結構進行優(yōu)化，以減小摩擦力矩；文獻[3]考慮彈流潤滑、滾子間隙、滾子速度，開發(fā)了分析調(diào)心滾子軸承力學性能的軟件；文獻[4]指出，通過優(yōu)化調(diào)心滾子軸承內(nèi)部參數(shù)實現(xiàn)滾子自穩(wěn)定，可以消除擋邊摩擦；文獻[5]分析了調(diào)心滾子軸承滾子在橢圓接觸面上的滑動問題，對滾子修形及調(diào)整密合度可以使?jié)L子保持自穩(wěn)定，減小摩擦損失；文獻[6]建立調(diào)心滾子軸承接觸阻尼模型，分析了內(nèi)外圈和滾子的表面波紋度和表面缺陷、軸承徑向游隙及載荷對軸承系統(tǒng)力和位移響應的影響，結果表明運動部件的表面缺陷會產(chǎn)生更大的力和位移響應，對設計和加工精度要求更高；文獻[7]指出滾道自由度對軸承力和位移具有重要影響，建立了包含滾道自由度的調(diào)心滾子軸承動態(tài)分析模型。

上述對調(diào)心滾子軸承的研究主要集中在調(diào)心滾子軸承表面質量、游隙及密合度等對軸承性能的影響，但關于軸承結構，尤其是風電主軸用大型調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈擋邊結構對其性能的影響未提及。鑒于此，介紹了常見的風電主軸用調(diào)心滾子軸承內(nèi)圈擋邊結構，建立仿真模型，分析其在風電特殊工況下的軸承性能。

1 風電機組傳動系統(tǒng)支承方式

風電機組傳動系統(tǒng)兩點、三點支承結構[8]如圖1所示：兩點支承結構包括輪轂、主軸、齒輪箱等在內(nèi)的整個傳動系統(tǒng)由前后2套軸承支承，定位端軸承承受軸向載荷和徑向載荷，浮動端軸承主要承受徑向載荷；三點支承結構包括輪轂、主軸、齒輪箱等在內(nèi)的整個傳動系統(tǒng)由三點支承，一點是主軸承，另外兩點是齒輪箱兩邊的彈性支承。主軸承承受軸向載荷和徑向載荷。

圖1 風電機組傳動系統(tǒng)支承結構

隨著風機功率增大，傳動系統(tǒng)尺寸越來越大，質量也越來越大，為避免大尺寸引起質量成本的急劇增加，三點支承應用越來越廣泛，故選擇三點支承進行分析。

大型調(diào)心滾子軸承以黃銅保持架為主，主要以內(nèi)圈和滾動體引導為主，不同引導方式內(nèi)圈中擋邊結構不同，下文主要分析中擋邊結構對軸承性能的影響。

2 調(diào)心滾子軸承中擋邊結構

風電主軸調(diào)心滾子軸承中擋邊結構如圖2所示：固定中擋邊(圖2a)可引導保持架，保持架由1或2個實體黃銅保持架組成；浮動中擋邊(圖2b)內(nèi)圈滾道無擋邊，安裝有隔圈，隔圈和內(nèi)圈可以相對移動，具有引導保持架的功能；無中擋邊結構(圖2c)由滾子直接引導保持架。

圖2 調(diào)心滾子軸承中擋邊結構

3 仿真分析

以某風電主軸用調(diào)心滾子軸承為研究對象，假設3種軸承除內(nèi)圈擋邊結構以外，其他結構參數(shù)均相同，主要結構參數(shù)見表1。內(nèi)外圈和滾子材料為100Cr6軸承鋼，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.3；保持架材料為銅，彈性模量為100 GPa，泊松比0.36。此外，3種調(diào)心滾子軸承具有相同的調(diào)心能力，在相同外力下軸向力Fa與徑向力Fr比值相同。潤滑脂采用專用潤滑脂Arcanol Load 460，40 ℃運動黏度為460。

表1 調(diào)心滾子軸承主要結構參數(shù)

3.1 仿真模型

在軸承專用分析軟件Bearinx中輸入軸承參數(shù)，生成3D計算模型，將3D模型輸入到動態(tài)仿真軟件CABA3D中，分為滾道接觸、左右中擋邊接觸以及外擋邊接觸，接觸類型為摩擦接觸，基于彈流潤滑理論計算，分析模型如圖3所示。

圖3 調(diào)心滾子軸承仿真分析模型

3.2 工況條件

軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉，轉速為11.5 r/min。根據(jù)風電機組軸承的典型載荷譜，得到調(diào)心滾子軸承載荷工況如圖4所示：x軸方向為多變的軸向載荷，y，z軸方向為多變的徑向載荷，系統(tǒng)的傾覆力矩會導致軸出現(xiàn)撓曲，撓曲角度對應于圖4中y，z軸的偏擺角度。作用于軸承上的多變載荷周期為1.6 s，仿真分析取2個周期，以多變載荷的平均值(恒定值)作為載荷輸入條件。軸承工作溫度為70 ℃。

圖4 調(diào)心滾子軸承載荷工況

3.3 結果分析

軟件計算2.0 s開始處于穩(wěn)定狀態(tài)，取2.00～5.06 s進行分析，分析步長為0.014 5 s。仿真精度為5×10-6。

3.3.1 軸向剛度和軸向位移

考慮風機主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性，在低速重載且伴隨較大軸向力的工況下，軸向剛度和軸向位移是衡量軸承性能的重要指標。滾子與套圈的彈性接觸變形會影響軸向剛度，軸向游隙和軸向剛度共同影響軸承軸向位移。軸承軸向位移越大，輪轂在軸向的定位越差，整個軸系剛度越差。

結合文獻[9]，并基于BearinX軟件可得固定中擋邊軸承、無中擋邊軸承軸向剛度分別為1 391 565，1 281 771 N/mm。浮動中擋邊軸承在軸向具有一定自由度，其軸向剛度近似等于無中擋邊軸承。可知固定中擋邊軸承軸向剛度比另外2種擋邊軸承高約10%。

不同擋邊軸承軸向位移如圖5所示：固定中擋邊軸承很快進入穩(wěn)定狀態(tài)，且軸向位移較小；浮動中擋邊和無中擋邊軸承軸向位移接近，比固定中擋邊軸承增加約0.15 mm，浮動中擋邊軸承約 1 s 后進入穩(wěn)定狀態(tài)，而無中擋邊軸承軸向位移處于不穩(wěn)定狀態(tài)。可知固定中擋邊軸承對滾子的引導作用更好。

圖5 3種擋邊調(diào)心滾子軸承軸向位移對比

PV值(軸承內(nèi)部零件接觸表面正壓力P和對偶面上相對速度V的乘積)是衡量軸承耐磨性的重要指標，降低PV值可有效減少磨損，降低表層失效的概率。調(diào)心滾子軸承PV最大值通常源于主承載列(圖6)，選取主承載列承載區(qū)滾子為研究對象。滾子端面和擋邊也存在接觸，但其PV值相對滾道較小，且軸承失效主要為滾道磨損，在此僅討論滾道PV值。在Fa/Fr為0.27時不同擋邊軸承滾道PV值如圖7所示(橫坐標0表示滾子中心位置)：浮動中擋邊軸承、無中擋邊軸承PV最大值比固定中擋邊軸承大25%；3種擋邊軸承主承載列右側PV值大于左側，浮動中擋邊、無中擋邊兩側相差較大。說明固定中擋邊軸承PV值更佳。

圖6 調(diào)心滾子軸承承載示意圖

圖7 不同擋邊調(diào)心滾子軸承滾道PV值

3.3.3 滾子運行姿態(tài)

滾子運行姿態(tài)會影響滾子與擋邊、套圈滾道及保持架的作用力，對軸承性能也會產(chǎn)生一定影響，在此通過分析滾子偏擺(圖8)來衡量滾子運行姿態(tài)。

圖8 滾子偏擺示意圖

為減少計算時間，等間距選取6粒滾子(圖9)為研究對象，軸承旋轉60°時1#滾子轉到2#滾子位置，偏擺角為θ1，2#滾子轉到3#滾子位置，偏擺角為θ2,以此類推得到θ3，θ4，θ5，θ6，擬合θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6得到的曲線模擬滾子旋轉一周偏擺角的變化。通過計算可得滾子公轉速度為5.2 r/min，滾子公轉60°需1.92 s。

圖9 等間距選取的6粒滾子示意圖

3種擋邊軸承滾子偏擺角如圖10所示：主承載列滾子偏擺角變化一致，主要原因是滾子偏擺主要受內(nèi)外圈滾道及保持架兜孔形狀的影響；對于次承載列，固定中擋邊軸承滾子偏擺幅度較小，浮動中擋邊軸承滾子在一段時間內(nèi)偏擺角快速增加，無中擋邊軸承滾子偏擺更大且不穩(wěn)定時間較長，這是由于滾子缺少擋邊的約束，次承載列承載小，承載區(qū)小，滾子運動空間大，偏擺較大。滾子偏擺會引起磨損，需特別注意。

圖10 3種擋邊調(diào)心滾子軸承滾子偏擺角

3.3.4 摩擦功耗

為軸承選型作參考，選取摩擦功耗作為研究對象。軸承摩擦功耗主要取決于內(nèi)部摩擦力矩[10]和運轉速度。基于CABA3D軟件計算3種擋邊軸承摩擦功耗，如圖11所示：浮動中擋邊、無擋邊軸承摩擦功耗接近，固定中擋邊軸承內(nèi)、外圈滾道摩擦功耗低于浮動中擋邊軸承、無擋邊軸承約20%；固定中擋邊軸承總摩擦功耗(總摩擦功耗為內(nèi)外圈滾道、保持架、中擋邊與滾子摩擦功耗之和)高于其他2種結構約10%，這是由于固定中擋邊引導滾子時，擋邊與滾子端面會產(chǎn)生滑動摩擦，從而使整體摩擦功耗較高；但固定中擋邊減小了滾子偏擺，滾道摩擦功耗減小，從而減小了軸承失效的概率。

圖11 3種擋邊調(diào)心滾子軸承摩擦功耗對比

4 實際應用

根據(jù)上述分析可知固定中擋邊軸承性能更佳，固定中擋邊和浮動中擋邊軸承在極限工況下的失效示意圖如圖12所示：固定中擋邊軸承失效位置在內(nèi)圈靠近外擋邊處，且磨損較輕，浮動中擋邊軸承失效位置在靠近浮動中擋邊一側滾道上，出現(xiàn)了大量的剝落。以上結果與PV值分析結果一致，進一步驗證了仿真分析的正確性。

圖12 調(diào)心滾子軸承內(nèi)滾道失效圖

5 結束語

根據(jù)風電機組主軸軸承使用工況，建立軸承仿真分析模型，分析了內(nèi)圈擋邊結構對雙列調(diào)心滾子軸承軸向剛度、軸向位移、PV值、滾子偏擺、摩擦功耗的影響，結果表明固定中擋邊軸承性能更優(yōu)。 此外，分析結果也為風電主軸軸承選型和優(yōu)化設計提供了參考，例如優(yōu)化擋邊和滾道接觸位置，降低PV值，采用非對稱設計減小主承載列和非主承載列PV值差等。