风电机组主轴承滚道应力和润滑特性分析*

王岳峰，黄 虎，李 达

(太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024)

0 引言

主轴承作为风力发电机组核心部件之一，其可靠性对机组的稳定运行起到至关重要的作用[1-3]。风电机组主轴承长期在低速重载工况下运行，轴承滚子和滚道之间形成的润滑油膜是避免滚子滚道摩擦损伤、确保轴承正常运行的关键[4]。

王亚彪等[5]基于弹流理论研究了主轴承在极限工况的点接触情况下的润滑油膜性能。周江敏等[6]通过计算平均雷诺流体润滑方程，研究了轴承滚子与滚道表面纹理和硬弹比对滚子轴承混合润滑油膜的影响。华希俊等[7-9]研究了激光微织构滚动轴承表面的润滑特性和弹流动压性能。王文中等[10]研究了润滑接触中弹性变形快速数值计算方法和激光织构化GCr15轴承钢配副在脂润滑条件下的摩擦学性能。许多学者对轴承的润滑理论进行了研究，而针对风力发电机组圆锥滚子轴承基于不同输入交变载荷、摩擦因数、润滑温度和轴承转速下的滚道接触应力和滚道油膜润滑效果的分析，以及对轴承滚道油膜润滑厚度与滚道接触应力、轴承转速等参数的耦合量化关系研究还相对较少，而轴承滚道应力和油膜润滑厚度对各工况下轴承稳定运行至关重要。本文对某兆瓦级风力发电机主轴承滚道全局接触表面在不同工况下的接触应力和膜厚进行数值分析，为主轴承的润滑性能研究提供应用参考。

1 建立模型和数值计算

载荷计算采用GL规范规定的轮毂固定坐标系，轮毂固定坐标系的原点位于轮毂中心，该坐标系不随风轮旋转，轮毂固定坐标系见图1。图1中，XN为风轮轴线方向；ZN为向上且垂直于XN；YN按右手定则确定；F为力，M为扭矩。

本文以某兆瓦级风电机组两点支撑布置型式中的两个单列圆锥滚子轴承为研究对象，利用Romax软件研究不同工况下单列圆锥轴承滚子与滚道两表面做纯滚动的润滑情况。等效载荷作用点位于轮毂中心，两个主轴承的外圈固定约束。风电机组主轴承布置形式及受载示意图如图2所示。

图2 风电机组主轴承布置形式及受载示意图

主轴承材料选取GCr15SiMn，轴承滚子数为85，轴承外径为Φ2 420 mm，润滑脂采用美孚SHC 461WT润滑脂。轴承正常运转时的边界条件为接触模型外圈外表面固定约束，内圈和滚子旋转。GCr15SiMn材料性能参数见表1。在数值计算中设置的风电机组各工况下的参数如表2所示。

表1 GCr15SiMn材料性能参数

表2 风电机组各工况参数

2 计算结果与讨论

2.1 外载荷对轴承滚道载荷和应力的影响分析

由于风电机组载荷主要集中于主轴前端的轮毂侧，因此外载荷作用于前轴承的力要大于后轴承的，本文仅分析受载荷影响最大的前轴承，图3为滚道载荷雷达图。图3中,F1、F2、F3和F4分别代表工况1的轴承外圈滚道、工况1的轴承内圈滚道、工况2的轴承内圈滚道和工况3的轴承内圈滚道的载荷,角度表示轴承滚道位于圆周方向的定位数值(下同)。从图3中可知：轴承内、外圈滚道承受的载荷基本一致；所有工况下的最大载荷均集中在轴承滚道90°位置(轴承正上方)附近，并且滚道载荷呈现出周向非均匀分布状态；增大轴向载荷比径向载荷对滚道平均载荷影响更大。

图3 滚道载荷雷达图

图4为滚道应力雷达图。图4中，σ1、σ2、σ3和σ4分别代表工况1的轴承外圈滚道、工况1的轴承内圈滚道、工况2的轴承内圈滚道和工况3的轴承内圈滚道的应力。从图4中可知：滚道应力分布同滚道载荷分布规律基本一致；增大轴向载荷使轴承整圈滚子应力分布更均匀。这主要是由于圆锥滚子在轴向力的作用下，整圈轴承滚子与内、外滚道在周向的受力更为均匀的原因。各工况下主轴承滚道载荷分布规律与文献[11]的基本一致，也验证了文中载荷分布规律的正确性。

图4 滚道应力雷达图

2.2 轴承滚道应力分布的分析

图5为工况1的轴承内圈和外圈滚道应力分布图，其中Z/L为单个滚子与滚道接触线的坐标值Z与接触线总长L的比值(Z向为沿滚子轴线方向)。从图5可知：内、外圈滚道均在滚子中心区域接触应力达到最大值；在轴承圆周方向上，内、外圈滚道的接触应力均在90°方向上达到最大值；内圈滚道应力要略微大于外圈滚道应力；在圆周方向滚子最大应力处，轴承内圈的滚子边缘发现局部的应力突变。滚道在圆周方向的应力不均匀分布主要是由于输入外载荷的作用方向导致的。由于轴承内圈尺寸小于外圈尺寸，在相同的载荷作用下，内圈应力略高于外圈应力；为减少边缘应力，滚子轴向两端均进行了修形，应力主要集中于滚子轴向中间区域。

图5 工况1的轴承滚道应力分布图

2.3 轴承滚道润滑油膜厚度的影响因素分析

图6为工况1～6下轴承内圈滚道润滑油膜厚度分布图。从图6可知：润滑油膜厚度分布在轴承滚道呈现周向非对称，但在轴向基本对称；在轴承应力数值较大处，油膜厚度相对较薄。油膜厚度分布规律与轴承接触应力分布基本一致，这主要是由于轴承在输入外载荷和主轴转动的影响下，润滑油脂从滚道受载较小的发散区逐渐进入收敛区时，经过受载较大的滚子滚道时，滚子挤压油脂进而形成较薄的油膜。

对于工况1～工况6中的轴承润滑油膜厚度，由图6可知，相对于工况1，工况4中摩擦因数的改变对最小润滑油膜厚度影响不大，因此仅对其余5种工况中的油膜厚度H进行分析，得到回归方程如下：

图6 轴承内圈滚道油膜厚度分布图

H=0.511-9×10-6×FZ-8×10-6×FY-0.007×t+0.024×n.

(1)

其中：H为油膜厚度，μm；FZ为轴向载荷，N；FY为径向载荷，N；t为润滑温度，℃；n为轴承转速，r/min。

从式(1)中可知，轴承转速n对油膜厚度影响最大，润滑温度t和轴向载荷FZ的影响逐渐减小，径向载荷FY的影响最小。若要增大油膜厚度，应适当增大轴承转速、降低润滑温度、减小轴向和径向载荷。

2.4 轴承转速对膜厚和滚子滑动速度影响分析

图7为轴承转速与轴承油膜厚度和滚子滑动速度的关系曲线。从图7中可知：随着轴承转速增大，滚子的滑动速度和滚子滚道最小润滑油膜厚度也线性增大。这是由于增大轴承转速，滚子在滚道内的旋转速度也逐渐增大，旋转的滚子表面不断将润滑油脂从发散区挤压进入收敛区，收敛区的油膜厚度也不断增大。

图7 轴承转速与膜厚和滚子滑动速度关系曲线

3 结论

(1) 滚道载荷呈现出非线性分布规律，增大轴向载荷比径向载荷对滚道平均载荷影响更大，并可使轴承整圈滚子应力数值波动减小。内、外圈滚道均在滚子中心区域接触应力达到最大值。在轴承圆周方向上，内、外圈滚道均在90°方向上应力达到最大值，内圈滚道应力要略微大于外圈滚道应力。

(2) 润滑油膜厚度在轴承滚道呈现周向非对称分布，油膜厚度分布规律与轴承接触应力分布规律基本一致。轴承转速对油膜厚度影响最大，润滑温度和轴向载荷的影响逐渐减小，径向载荷的影响最小。适当增大轴承转速、降低润滑温度、减小轴向和径向载荷，有助于增加油膜厚度。

(3) 滚子的滑动速度和滚子滚道最小润滑油膜厚度随着轴承转速增大也线性增大，滚子的滑动速度的增长梯度大于滚子滚道最小润滑油膜厚度的增长梯度。