基于Romax的风机低速输入轴轴承疲劳寿命分析

王佳伟，王春秀，慕松，杨旭东

(宁夏大学 机械工程学院，银川 750021)

风力发电机组低速输入轴轴承是风机主传动链的核心部件之一，其性能的好坏直接关系到整体机组运行的可靠性[1-2]。风力发电机组多安装在偏远地区的高空中，大型运输机械不易到达，风机低速输入轴轴承一旦发生损坏，拆卸困难，维修费用高，例如某公司的1.0MW风机低速输入轴轴承一次维修更换费用不低于30万元。对1.0 MW风机低速输入轴轴承进行疲劳寿命分析，了解径向游隙、润滑等参数对轴承寿命的影响，对增加风机低速输入轴轴承使用寿命、提高风电机组运行可靠性、减少风力发电成本有重要意义。而RomaxDesigner软件可对风机低速输入轴轴承进行建模、静动态分析、精确仿真及优化设计等[3]，其综合方法可加速产品的设计开发过程，节约产品投入市场的成本和时间，因此，基于RomaxDesigner对风机低速输入轴轴承进行疲劳寿命分析。

1 轴承疲劳寿命分析

1.1 建模

MWT100-1.0 MW型风力发电机组低速输入轴轴承为双列调心滚子轴承，型号为230/560/C9W33，其主要设计参数与低速输入轴的尺寸见表1和表2。

表1 轴承主要设计参数

表2 风机低速输入轴尺寸

风机低速输入轴为阶梯轴，可以分为7个轴段。根据表2中的数据，以轴段1的原点为起点，按照各轴段到原点的距离及其他相关数据在RomaxDesigner软件中完成对风机低速输入轴的建模；在软件中新建轴承并将表1中轴承的相关数据输入，完成对风机低速输入轴轴承的建模，并根据轴承的实际位置将轴承设置到轴上相对应的位置[4-5]。风机低速输入轴轴承设计载荷工况见表3，26种工况的作用时间之和为其全寿命周期值。根据表3中风机低速输入轴轴承在全寿命周期下的设计载荷工况，将载荷数据添加到模型中，加载后的模型如图1所示。

表3 风机低速输入轴轴承设计载荷工况

图1 加载后的模型图

通过查看SCADA监测系统数据并计算可知，风机低速输入轴轴承的年平均工作温度为35.21 ℃，在RomaxDesigner中设置轴承的工作温度为35.21 ℃，定义润滑类型为脂润滑，润滑脂型号选择默认值。

1.2 径向游隙对其疲劳寿命的影响

风机低速输入轴轴承游隙直接影响其寿命以及轴承滚子是否能正常运动。根据前面所述建模模型，在RomaxDesigner中对每种工况取不同的径向游隙值，得到对应的轴承寿命，定义寿命比r1为

(1)

式中：Lδ为径向游隙为δ时轴承的寿命；L0为径向游隙为0时轴承的寿命。

汇总数据并在MATLAB软件中绘制图形，得到各工况下径向游隙对轴承疲劳寿命的影响如图2所示。

图2 各工况下径向游隙对其疲劳寿命的影响

图2中共有26条曲线，与风机低速输入轴轴承的26种设计载荷工况相对应(表3)，随着轴、径向载荷的不断增加，寿命的起点越来越高(值更大)。为得到径向游隙对全寿命周期下风机低速输入轴轴承寿命的影响，保证结论的高可靠性，按照保守原则，取图2中寿命最保险的部分曲线，结果如图3所示。

图3 全寿命周期下径向游隙对其疲劳寿命的影响

由图3可以看出，当风机低速输入轴轴承的径向游隙为-10～0 μm时，轴承寿命较高。当风机低速输入轴轴承的径向游隙过大或过小时，轴承寿命骤然缩短[6]。因此，对1.0 MW风机低速输入轴轴承，在装配的过程中应严格控制径向游隙，选取径向游隙为-10～0 μm。

1.3 润滑对其疲劳寿命的影响

试验表明，轴承润滑状态的优劣与其疲劳寿命密切相关。轴承滚动接触面上润滑状态的优劣，由润滑油膜参数Λ表示，定义为

(2)

式中：h为润滑油膜厚度；R为轴承表面粗糙度Ra的值。

一般来说，轴承润滑油膜参数值越大，润滑状态越好。这是因为当润滑油膜参数较大时，轴承表面微小凸起之间接触时不易发生表面起源剥落；若轴承表面没有伤痕，则轴承寿命主要取决于内部起源剥落。润滑油膜参数较小时，轴承表面微小凸起之间的接触易导致表面起源剥落的产生，轴承寿命也将缩短[7-8]。

分析润滑对风机低速输入轴轴承疲劳寿命的影响时，在RomaxDesigner软件中设置轴承径向游隙为零，定义润滑类型为脂润滑，轴承表面粗糙度按GB/T 307.3—2005《滚动轴承 通用技术规则》规定选取，通过改变润滑脂的运动黏度从而得到不同的润滑油膜参数，得到相对应的轴承寿命，并定义寿命比r2为

(3)

式中：LΛ为内滚道油膜参数为Λ时轴承的寿命；L3为内滚道油膜参数Λ=3时轴承的寿命。

汇总数据并在MATLAB软件中绘制图形，得到各工况下的润滑油膜参数对风机低速输入轴轴承疲劳寿命的影响，如图4所示。

图4 各工况下润滑油膜参数对其疲劳寿命的影响

图4中曲线的2个极端拐点处所对应的最小润滑油膜参数为2.437与3.21。当风机低速输入轴轴承的润滑油膜参数在2.437与3.21时，轴承寿命较高；当润滑油膜参数小于等于0.5时，轴承寿命缩至1/10，这就是严重的表面起源剥落。综合考虑风机低速输入轴轴承在全寿命周期下的各工况可以看出，当润滑油膜参数大于等于3.21时，轴承寿命比最高。因此，为使风机低速输入轴轴承获得较高的使用寿命，应使轴承润滑油参数在3.21附近。

2 轴承疲劳寿命预测

对图3中曲线数据进行拟合，得到拟合公式为

δ*=-0.000 3δ2-0.007 7δ+1.014 6，

(4)

式中：δ*为风机低速输入轴轴承的游隙系数；δ为风机低速输入轴轴承的径向游隙。

传统的L-P轴承寿命计算公式为[9]

(5)

利用(4)，(5)式可以得到考虑游隙的风机低速输入轴轴承疲劳寿命预测公式为

(6)

利用(5)式并结合表1、表2中的数据计算可以得到，采用传统L-P轴承寿命理论计算得到的风机低速输入轴轴承的基本额定寿命为L10h=290 210 h，超过33年。

由(4)，(6)式可以计算得到不同径向游隙下风机低速输入轴轴承的疲劳寿命结果见表4。

表4 不同径向游隙下风机低速输入轴轴承疲劳寿命

3 结束语

分析1.0 MW型风力发电机组低速输入轴轴承径向游隙与润滑对其疲劳寿命的影响，基于RomaxDesigner对风力发电机低速输入轴轴承进行了仿真，得到了当轴承径向游隙为-10～0 μm、润滑油膜参数在3.21附近时，风电机组低速输入轴轴承寿命最高；在L-P轴承寿命理论的基础上，结合软件仿真结果，提出了一种考虑径向游隙的风机低速输入轴轴承疲劳寿命预测公式，并计算得到了不同径向游隙下的风机低速输入轴轴承寿命预测值。