張洪偉，陳曙光，薛六濤，羅虹

(1.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192；3.北京京冶軸承股份有限公司，北京 102617)

1 概述

風(fēng)能作為可再生綠色資源受到世界各國(guó)的高度重視，近年來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展，帶動(dòng)了一大批配套設(shè)備行業(yè)的發(fā)展[1-2]。為了促進(jìn)國(guó)產(chǎn)風(fēng)電設(shè)備及其關(guān)鍵零部件生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，國(guó)家發(fā)改委明確提出了我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)時(shí)本土風(fēng)電設(shè)備的使用率要達(dá)到70%以上[1]。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中也提出要推進(jìn)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)電設(shè)備的技術(shù)突破。與國(guó)外相比，我國(guó)對(duì)大型風(fēng)電設(shè)備的研發(fā)較晚，技術(shù)相對(duì)落后[2]。軸承作為風(fēng)電設(shè)備的關(guān)鍵零部件，技術(shù)難度大，制約著我國(guó)風(fēng)電設(shè)備的發(fā)展[3-6]。

風(fēng)電專用變槳軸承如圖1所示，安裝在高40～100m的塔架上，安裝及更換不便，變槳軸承可同時(shí)承受傾覆力矩、軸向載荷和徑向載荷，通常在低速重載的工況下工作，環(huán)境惡劣，且要求使用壽命不少于20年，這就對(duì)軸承的設(shè)計(jì)及制造工藝提出了更高的要求。四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承尺寸大，溝道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工及裝配難度大。與國(guó)外相比，我國(guó)自主研發(fā)的風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承性能與國(guó)外仍有一定的差距[5-6]。

圖1 風(fēng)電專用變槳軸承

我國(guó)的低風(fēng)速風(fēng)能資源約占全國(guó)總面積的74%，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速區(qū)的推廣，葉片設(shè)計(jì)及變槳策略都需不斷調(diào)整和優(yōu)化，這就對(duì)變槳軸承的設(shè)計(jì)制造技術(shù)提出更高的要求。僅僅靠引進(jìn)生產(chǎn)線制造軸承，不能促進(jìn)變槳軸承制造技術(shù)的發(fā)展，必須深入研究變槳軸承的力學(xué)機(jī)理及疲勞特性，考慮實(shí)際工況，基于風(fēng)電機(jī)組承受的空氣動(dòng)力載荷、重力載荷、慣性載荷和運(yùn)行載荷等，進(jìn)行典型工況下的時(shí)序載荷計(jì)算，確定滾動(dòng)軸承內(nèi)部的載荷分布、接觸應(yīng)力及變形等，并對(duì)滾道進(jìn)行精確疲勞壽命計(jì)算，分析其承載及損傷機(jī)理，才能為轉(zhuǎn)盤軸承的設(shè)計(jì)提供參考。

變槳軸承工況條件惡劣，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍及轉(zhuǎn)速小，主要通過力學(xué)模型法和有限元法對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，這也是進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組零部件強(qiáng)度分析及壽命設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。力學(xué)模型法主要通過對(duì)變槳軸承承載前后幾何結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行分析，利用彈塑性力學(xué)相關(guān)理論建立力學(xué)平衡方程，得到相應(yīng)的理論計(jì)算方法。由于變槳軸承力學(xué)問題的復(fù)雜性和力學(xué)模型的局限性，有限元法越來越受到學(xué)者的廣泛應(yīng)用，成為研究變槳軸承載荷分布及力學(xué)分析的重要方法。

2 變槳軸承計(jì)算力學(xué)模型研究現(xiàn)狀

變槳軸承外圈無(wú)軸承座的支承，內(nèi)圈無(wú)實(shí)心剛性軸的支承，在承受復(fù)雜外載荷時(shí)，軸承內(nèi)外圈產(chǎn)生變形，會(huì)對(duì)滾動(dòng)體載荷分布及接觸應(yīng)力產(chǎn)生影響，以普通軸承的設(shè)計(jì)方法來指導(dǎo)變槳軸承的設(shè)計(jì)具有局限性。

文獻(xiàn)[7]分析了受載后的單排四點(diǎn)接觸球軸承的溝曲率中心變化以及軸承和支承結(jié)構(gòu)的彈性位移，確定了實(shí)際接觸角與初始接觸角的關(guān)系，建立四點(diǎn)接觸大型轉(zhuǎn)盤軸承的承載能力計(jì)算模型，研究了在軸向力、徑向力及傾覆力矩聯(lián)合作用下，初始接觸角、密合度、游隙值以及支承結(jié)構(gòu)剛度對(duì)軸承承載能力及實(shí)際接觸角的影響；文獻(xiàn)[8]考慮轉(zhuǎn)盤軸承載荷分布對(duì)軸承選型、校核的影響，以通用軸承的計(jì)算理論為基礎(chǔ)，開發(fā)了適用于計(jì)算單列大型轉(zhuǎn)盤軸承載荷分布的程序，證明了剛性支承結(jié)構(gòu)基于余弦的接觸載荷分布，但該方法未考慮原始游隙對(duì)接觸載荷分布的影響；文獻(xiàn)[9]建立了在軸向力、徑向力及傾覆力矩聯(lián)合作用下四點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)盤軸承的靜承載能力計(jì)算模型。

文獻(xiàn)[10]分析了單列四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承承受軸向載荷時(shí)球的受力情況，通過Hertz接觸理論及軸承幾何學(xué)理論推導(dǎo)出轉(zhuǎn)盤軸承的承載能力，分析了影響轉(zhuǎn)盤軸承承載能力的主要因素；文獻(xiàn)[11]闡述了變槳軸承承載后的幾何變形，分析了軸向力作用下接觸角的變化，又建立了變槳軸承載荷分布模型并進(jìn)行求解，討論了游隙值與承載力的關(guān)系；文獻(xiàn)[12]通過對(duì)四點(diǎn)接觸球軸承的載荷與變形關(guān)系進(jìn)行分析，得到軸承的主要參數(shù)與承載能力的關(guān)系；文獻(xiàn)[13]研究了空載條件下負(fù)游隙值對(duì)單排四點(diǎn)接觸球軸承接觸變形的影響，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出套圈的變形方程，得到在外載荷作用下球的接觸應(yīng)力分布；文獻(xiàn)[14]基于剛性套圈假設(shè)，通過雙排四點(diǎn)接觸球軸承載荷分布理論計(jì)算在不同的負(fù)游隙值下各球的接觸載荷；文獻(xiàn)[15]對(duì)雙排四點(diǎn)接觸球軸承承載后的幾何參數(shù)進(jìn)行分析，得到接觸角、球數(shù)以及游隙值對(duì)雙排四點(diǎn)接觸球軸承最大接觸力的影響；文獻(xiàn)[16]以穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)，基于剛性和柔性套圈假設(shè)分析變槳軸承的載荷分布情況；文獻(xiàn)[17]根據(jù)四點(diǎn)接觸球軸承的載荷分布模型，分析軸承的載荷分布、承載能力以及壽命計(jì)算方法。

上述國(guó)內(nèi)外力學(xué)模型大多集中在單排四點(diǎn)接觸球軸承上，主要以Hertz理論為基礎(chǔ)，一般假設(shè)套圈為剛性。隨風(fēng)電單機(jī)裝機(jī)容量的不斷增大，單排四點(diǎn)接觸球軸承已不能滿足兆瓦級(jí)變槳軸承的需求，雙排四點(diǎn)接觸球軸承的應(yīng)用越來越廣泛，變槳軸承尺寸隨單機(jī)裝機(jī)容量的增加而增大，基于剛性套圈的假設(shè)研究大型變槳軸承的力學(xué)特性具有局限性。

3 變槳軸承有限元分析研究現(xiàn)狀

變槳軸承尺寸大、受載復(fù)雜，而力學(xué)模型存在較多的簡(jiǎn)化，試驗(yàn)又具有局限性，因此，有限元法越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

文獻(xiàn)[18]假設(shè)實(shí)際接觸角與初始接觸角相同，以線性桿單元代替滾動(dòng)體建立了滾動(dòng)軸承有限元模型對(duì)軸承載荷分布進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[19]以包括轉(zhuǎn)盤軸承支承結(jié)構(gòu)在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過有限元法對(duì)其載荷分布進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[20]考慮了螺栓連接的剛度及非線性接觸特性對(duì)于大型軸承力學(xué)性能的影響，構(gòu)建了二維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析；文獻(xiàn)[21]提出了考慮結(jié)構(gòu)彈性影響的四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承的載荷分布計(jì)算程序，并進(jìn)行有限元計(jì)算；文獻(xiàn)[22]通過建立軸承的局部有限元模型研究了軸承的滾動(dòng)體與套圈之間的接觸特性；文獻(xiàn)[23]采用桁架結(jié)構(gòu)模擬轉(zhuǎn)盤軸承球與溝道的作用，建立轉(zhuǎn)盤軸承有限元模型，分別對(duì)剛性套圈和柔性套圈下的單列、雙列、三列轉(zhuǎn)盤軸承的承載能力進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[24]假設(shè)軸承受載后滾動(dòng)體與套圈的作用與非線性彈簧單元特性相吻合，并通過與Hertz彈性接觸理論對(duì)比，驗(yàn)證假設(shè)的正確性，通過該假設(shè)分析了不同承載條件下滾動(dòng)體的接觸應(yīng)力分布；文獻(xiàn)[25]假設(shè)接觸區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方形，為分析軸承受載后的溝曲率中心變化，由剛性梁?jiǎn)卧獱恳姆蔷€性彈簧來替代鋼球的作用分析軸承靜承載能力。

文獻(xiàn)[26]建立了四點(diǎn)接觸球軸承的有限元模型，通過ANSYS Workbench對(duì)軸承的接觸應(yīng)力及變形進(jìn)行分析，并與Hertz理論對(duì)比；文獻(xiàn)[27]利用ANSYS Workbench對(duì)大型變槳軸承進(jìn)行分析，討論了螺栓預(yù)緊力對(duì)載荷分布的影響；文獻(xiàn)[28]通過有限元法計(jì)算了單、雙變槳軸承的摩擦力矩；文獻(xiàn)[29]基于ABAQUS分析了變槳軸承的強(qiáng)度；文獻(xiàn)[30]基于ANSYS分析了變槳軸承連接螺栓的強(qiáng)度問題。

4 存在問題及展望

1) 國(guó)內(nèi)對(duì)變槳軸承的力學(xué)性能分析進(jìn)行了大量的研究，主要基于Hertz接觸理論，并建立了數(shù)學(xué)模型，并對(duì)有限元法進(jìn)行嘗試。國(guó)內(nèi)企業(yè)在設(shè)計(jì)變槳軸承時(shí)仍以經(jīng)驗(yàn)計(jì)算為基礎(chǔ)，缺少高效的有限元數(shù)值計(jì)算方法。

2) 在復(fù)雜工況下，風(fēng)機(jī)軸承滾動(dòng)體與滾道的接觸位置未知，套圈結(jié)構(gòu)彈性變形、動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力及接觸彈性變形等具有較強(qiáng)的非線性，使得載荷分布和承載機(jī)理不同于傳統(tǒng)小型軸承，在應(yīng)用中，軸承接觸界面參數(shù)及材料表面狀態(tài)對(duì)于低速重載軸承的滾道磨損疲勞具有較大影響，至今仍缺少一種考慮滾動(dòng)體和滾道界面參數(shù)且適用于大規(guī)模接觸計(jì)算的力學(xué)模型或有限元模型。

3) Hertz接觸理論假設(shè)軸承內(nèi)外圈完全剛性，更適用于計(jì)算小型軸承的內(nèi)部載荷分布；傳統(tǒng)的Hertz理論未考慮接觸面微觀形貌對(duì)接觸狀態(tài)的影響，不能應(yīng)用于微觀接觸機(jī)理的研究，其求解結(jié)果與實(shí)際情況有較大誤差，故需建立考慮軸承接觸界面的接觸理論。

4)現(xiàn)有大型變槳軸承的研究，常忽略表層物理力學(xué)性能狀態(tài)對(duì)于軸承力學(xué)性能及疲勞壽命的影響，經(jīng)驗(yàn)表明，軸承滾道表面硬度和淬硬層深度與其許用接觸應(yīng)力存在一定的關(guān)系，表面硬化層及殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞壽命起主要作用，后續(xù)研究中，應(yīng)引入表面完整性的影響，考慮滾道淬硬層及殘余應(yīng)力等因素，建立基于表面完整性的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。

5) 現(xiàn)有變槳軸承研究重點(diǎn)集中于載荷分布及其靜強(qiáng)度上，通常是基于極限載荷進(jìn)行分析，基于疲勞載荷的壽命計(jì)算較少，而變槳軸承服役工況復(fù)雜，對(duì)于極限載荷及疲勞載荷，涉及到較多載荷工況，獲得相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算載荷的方法非常重要，目前仍缺少?gòu)?fù)雜工況下的建模及仿真研究。 應(yīng)建立風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過有限元仿真及風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)技術(shù)研究影響載荷的典型工況、影響載荷變化的因素及載荷變化規(guī)律，建立適用于風(fēng)電機(jī)組載荷仿真分析的工況，進(jìn)行典型工況的時(shí)序載荷計(jì)算，基于疲勞載荷和極限載荷進(jìn)行接觸應(yīng)力分析及全壽命的疲勞強(qiáng)度分析。