宋吉祥，郭紹鵬，馬新忠，李 立，郭靜瑜，包建飛

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039;2.常熟長城軸承有限公司，江蘇 常熟 215500)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航軸承是偏航系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，安裝于機(jī)艙底部，承載著機(jī)艙的全部重量，是葉片處于合理迎風(fēng)角度的保證。其一般安裝在數(shù)十米甚至百米高的塔架上，維修更換極其不便，一般均要求20年以上壽命。偏航軸承不僅承受較大的軸向力，而且承受很大的傾覆力矩，所以其必須具備足夠的強(qiáng)度和承載能力。

偏航軸承的內(nèi)、外圈分別通過螺栓與風(fēng)機(jī)機(jī)艙、塔架相連接，其所承受的軸向載荷及傾覆力矩均通過螺栓傳遞給塔架。因此，螺栓的強(qiáng)度至關(guān)重要。下面通過實(shí)例介紹某四點(diǎn)接觸球軸承的偏航軸承壽命和螺栓強(qiáng)度的校核。

1 工況條件

某型號偏航軸承的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工況條件為：徑向載荷Fr=95.4 kN，軸向載荷Fa=400 kN，傾覆力矩M=410 kN·m，軸承轉(zhuǎn)速n=0.1 r/min，軸向游隙為-0.03～0.05 mm；軸承內(nèi)齒模數(shù)m=14，齒數(shù)z=154，徑向變位系數(shù)x=+0.5，精度為998GK；外圏安裝孔64-M24，孔位置公差0.5 mm；內(nèi)圈安裝孔64-M24，孔位置公差0.5 mm；工作溫度為-30～50 ℃，要求軸承能夠承受日照、粉塵、雨水澆淋。

圖1 四點(diǎn)接觸球軸承結(jié)構(gòu)簡圖

2 軸承壽命及最大接觸應(yīng)力校核

軸承設(shè)計(jì)參數(shù)為：內(nèi)徑d=2 142.344 mm；外徑D=2 496 mm；球組節(jié)圓直徑Dpw=2 360 mm；內(nèi)圈溝曲率半徑ri=21.67 mm；外圈溝曲率半徑re=22.29 mm；鋼球直徑Dw=41.275 mm；接觸角α=45°；鋼球數(shù)目Z=142。材料為42CrMo鋼。

2.1 壽命校核

2.1.1 鋼球最大載荷Qmax

軸向力偏心距為：

ε1=0.77,ε2=0.23;

J(ε1)=0.357 3,J(ε2)=0.183 4;

JM(ε1)=0.254 6,JM(ε2)=0.169 1;

J(ε1,ε2)=0.326 5,JM(ε1,ε2)=0.282 8。

式中：ε1，ε2分別為主、輔溝道的載荷分布范圍參數(shù)；J(ε1)，J(ε2)分別為鋼球在主、輔溝道內(nèi)的載荷積分；JM(ε1),JM(ε2)分別為鋼球在主、輔溝道內(nèi)的力矩積分；J(ε1,ε2)，JM(ε1,ε2)分別為鋼球載荷和力矩分布積分。

主溝道上鋼球的最大載荷Q1max為：

(1)

將各參數(shù)代入(1)式得：Q1max=14.6 kN。

輔溝道上鋼球的最大載荷Q2max為：

(2)

將各參數(shù)代入(2)式得：Q2max=4.41 kN。

2.1.2 鋼球當(dāng)量載荷

主溝道鋼球當(dāng)量載荷為：

輔溝道鋼球當(dāng)量載荷為：

2.1.3 額定鋼球載荷

(4)

將相關(guān)參數(shù)代入(4)式得：

2.1.4 壽命計(jì)算

軸承的壽命為：

經(jīng)計(jì)算得：L10=6.13×106r。

該軸承按所要求的20年使用壽命計(jì)算，將其換算成轉(zhuǎn)數(shù)為：

L=1.05×106r。

顯然，L10>L，所以軸承設(shè)計(jì)壽命滿足使用要求。

2.2 最大接觸應(yīng)力

額定載荷系數(shù)γ為：

內(nèi)溝道主曲率和函數(shù)∑ρi為：

內(nèi)溝道主曲率差函數(shù)F(ρi)為：

外溝道主曲率和函數(shù)∑ρe為：

外溝道主曲率差函數(shù)F(ρe)為：

軸承的最大接觸應(yīng)力為：

(5)

Hertz接觸系數(shù)由F(ρi)和F(ρe)查文獻(xiàn)[2]的Hertz接觸系數(shù)表利用插值法求得：

eia=0.076 41，eib=0.010 63,eea=0.065 9，eeb=0.011 64。

式中：eia，eib為鋼球與內(nèi)圈的接觸橢圓系數(shù)；eea，eeb為鋼球與外圈的接觸橢圓系數(shù)。

將相關(guān)參數(shù)值代入(5)式得：

σ1imax=1 976.9 MPa，σ2imax=1 326.4 MPa，σ1emax=2 093.2 MPa，σ2emax=1 404.5 MPa。

3 螺栓強(qiáng)度校核

螺栓材料選用45#鋼，調(diào)質(zhì)后屈服極限σT=640 MPa，對稱循環(huán)疲勞極限σ-1=307 MPa。

受載最大螺栓上工作載荷PL max為：

式中：d1為內(nèi)圈安裝孔直徑；n為安裝孔個(gè)數(shù)。

螺栓預(yù)緊力Py為：

Py=KyPL max(1-x)=7.527 kN。

式中：Ky為連接面緊密性安全系數(shù)，取Ky=2；x為相對剛度系數(shù)，x=0.25。

螺栓小徑截面A1為：

A1=338.22 mm2。

則，螺栓預(yù)緊應(yīng)力σy為：

螺栓上最大許用計(jì)算載荷Pj為：

Pj=Py+xPL max=8.782 kN。

螺栓小徑斷面拉應(yīng)力σ1為：

預(yù)緊時(shí)螺紋上的摩擦力矩Mp為：

Mp≈0.12Pydn=21.677 76 N·m。

式中：dn為螺栓公稱直徑。

螺栓小徑斷面切應(yīng)力τ1為：

螺栓承受拉扭組合力，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，螺紋根部的最大合成應(yīng)力σ1s為：

塑性變形安全系數(shù)nT為：

螺栓所受的循環(huán)應(yīng)力σa為：

螺栓疲勞安全系數(shù)na為：

式中：[σa]為螺栓螺紋部分對稱循環(huán)疲勞極限；Kσ為螺紋有效部分應(yīng)力集中系數(shù)。

所以螺栓能夠安全使用。

4 結(jié)束語

通過對該偏航軸承的實(shí)例計(jì)算，從理論上可知軸承的壽命和螺栓強(qiáng)度滿足要求，為相關(guān)人員對相關(guān)類型軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了依據(jù)。