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)

風力發(fā)電機偏航軸承是偏航系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，安裝于機艙底部，承載著機艙的全部重量，是葉片處于合理迎風角度的保證。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度和承載能力。

偏航軸承的內(nèi)、外圈分別通過螺栓與風機機艙、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，螺栓的強度至關(guān)重要。下面通過實例介紹某四點接觸球軸承的偏航軸承壽命和螺栓強度的校核。

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 鋼球當量載荷

主溝道鋼球當量載荷為：

輔溝道鋼球當量載荷為：

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 壽命計算

軸承的壽命為：

經(jīng)計算得：L10=6.13×106r。

該軸承按所要求的20年使用壽命計算，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[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例計算，從理論上可知軸承的壽命和螺栓強度滿足要求，為相關(guān)人員對相關(guān)類型軸承的設(shè)計計算提供了依據(jù)。