王佳偉，王春秀，慕松，楊旭東

(寧夏大學 機械工程學院，銀川 750021)

風力發(fā)電機組低速輸入軸軸承是風機主傳動鏈的核心部件之一，其性能的好壞直接關(guān)系到整體機組運行的可靠性[1-2]。風力發(fā)電機組多安裝在偏遠地區(qū)的高空中，大型運輸機械不易到達，風機低速輸入軸軸承一旦發(fā)生損壞，拆卸困難，維修費用高，例如某公司的1.0MW風機低速輸入軸軸承一次維修更換費用不低于30萬元。對1.0 MW風機低速輸入軸軸承進行疲勞壽命分析，了解徑向游隙、潤滑等參數(shù)對軸承壽命的影響，對增加風機低速輸入軸軸承使用壽命、提高風電機組運行可靠性、減少風力發(fā)電成本有重要意義。而RomaxDesigner軟件可對風機低速輸入軸軸承進行建模、靜動態(tài)分析、精確仿真及優(yōu)化設(shè)計等[3]，其綜合方法可加速產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，節(jié)約產(chǎn)品投入市場的成本和時間，因此，基于RomaxDesigner對風機低速輸入軸軸承進行疲勞壽命分析。

1 軸承疲勞壽命分析

1.1 建模

MWT100-1.0 MW型風力發(fā)電機組低速輸入軸軸承為雙列調(diào)心滾子軸承，型號為230/560/C9W33，其主要設(shè)計參數(shù)與低速輸入軸的尺寸見表1和表2。

表1 軸承主要設(shè)計參數(shù)

表2 風機低速輸入軸尺寸

風機低速輸入軸為階梯軸，可以分為7個軸段。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，以軸段1的原點為起點，按照各軸段到原點的距離及其他相關(guān)數(shù)據(jù)在RomaxDesigner軟件中完成對風機低速輸入軸的建模；在軟件中新建軸承并將表1中軸承的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入，完成對風機低速輸入軸軸承的建模，并根據(jù)軸承的實際位置將軸承設(shè)置到軸上相對應(yīng)的位置[4-5]。風機低速輸入軸軸承設(shè)計載荷工況見表3，26種工況的作用時間之和為其全壽命周期值。根據(jù)表3中風機低速輸入軸軸承在全壽命周期下的設(shè)計載荷工況，將載荷數(shù)據(jù)添加到模型中，加載后的模型如圖1所示。

表3 風機低速輸入軸軸承設(shè)計載荷工況

圖1 加載后的模型圖

通過查看SCADA監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)并計算可知，風機低速輸入軸軸承的年平均工作溫度為35.21 ℃，在RomaxDesigner中設(shè)置軸承的工作溫度為35.21 ℃，定義潤滑類型為脂潤滑，潤滑脂型號選擇默認值。

1.2 徑向游隙對其疲勞壽命的影響

風機低速輸入軸軸承游隙直接影響其壽命以及軸承滾子是否能正常運動。根據(jù)前面所述建模模型，在RomaxDesigner中對每種工況取不同的徑向游隙值，得到對應(yīng)的軸承壽命，定義壽命比r1為

(1)

式中：Lδ為徑向游隙為δ時軸承的壽命；L0為徑向游隙為0時軸承的壽命。

匯總數(shù)據(jù)并在MATLAB軟件中繪制圖形，得到各工況下徑向游隙對軸承疲勞壽命的影響如圖2所示。

圖2 各工況下徑向游隙對其疲勞壽命的影響

圖2中共有26條曲線，與風機低速輸入軸軸承的26種設(shè)計載荷工況相對應(yīng)(表3)，隨著軸、徑向載荷的不斷增加，壽命的起點越來越高(值更大)。為得到徑向游隙對全壽命周期下風機低速輸入軸軸承壽命的影響，保證結(jié)論的高可靠性，按照保守原則，取圖2中壽命最保險的部分曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 全壽命周期下徑向游隙對其疲勞壽命的影響

由圖3可以看出，當風機低速輸入軸軸承的徑向游隙為-10～0 μm時，軸承壽命較高。當風機低速輸入軸軸承的徑向游隙過大或過小時，軸承壽命驟然縮短[6]。因此，對1.0 MW風機低速輸入軸軸承，在裝配的過程中應(yīng)嚴格控制徑向游隙，選取徑向游隙為-10～0 μm。

1.3 潤滑對其疲勞壽命的影響

試驗表明，軸承潤滑狀態(tài)的優(yōu)劣與其疲勞壽命密切相關(guān)。軸承滾動接觸面上潤滑狀態(tài)的優(yōu)劣，由潤滑油膜參數(shù)Λ表示，定義為

(2)

式中：h為潤滑油膜厚度；R為軸承表面粗糙度Ra的值。

一般來說，軸承潤滑油膜參數(shù)值越大，潤滑狀態(tài)越好。這是因為當潤滑油膜參數(shù)較大時，軸承表面微小凸起之間接觸時不易發(fā)生表面起源剝落；若軸承表面沒有傷痕，則軸承壽命主要取決于內(nèi)部起源剝落。潤滑油膜參數(shù)較小時，軸承表面微小凸起之間的接觸易導致表面起源剝落的產(chǎn)生，軸承壽命也將縮短[7-8]。

分析潤滑對風機低速輸入軸軸承疲勞壽命的影響時，在RomaxDesigner軟件中設(shè)置軸承徑向游隙為零，定義潤滑類型為脂潤滑，軸承表面粗糙度按GB/T 307.3—2005《滾動軸承 通用技術(shù)規(guī)則》規(guī)定選取，通過改變潤滑脂的運動黏度從而得到不同的潤滑油膜參數(shù)，得到相對應(yīng)的軸承壽命，并定義壽命比r2為

(3)

式中：LΛ為內(nèi)滾道油膜參數(shù)為Λ時軸承的壽命；L3為內(nèi)滾道油膜參數(shù)Λ=3時軸承的壽命。

匯總數(shù)據(jù)并在MATLAB軟件中繪制圖形，得到各工況下的潤滑油膜參數(shù)對風機低速輸入軸軸承疲勞壽命的影響，如圖4所示。

圖4 各工況下潤滑油膜參數(shù)對其疲勞壽命的影響

圖4中曲線的2個極端拐點處所對應(yīng)的最小潤滑油膜參數(shù)為2.437與3.21。當風機低速輸入軸軸承的潤滑油膜參數(shù)在2.437與3.21時，軸承壽命較高；當潤滑油膜參數(shù)小于等于0.5時，軸承壽命縮至1/10，這就是嚴重的表面起源剝落。綜合考慮風機低速輸入軸軸承在全壽命周期下的各工況可以看出，當潤滑油膜參數(shù)大于等于3.21時，軸承壽命比最高。因此，為使風機低速輸入軸軸承獲得較高的使用壽命，應(yīng)使軸承潤滑油參數(shù)在3.21附近。

2 軸承疲勞壽命預(yù)測

對圖3中曲線數(shù)據(jù)進行擬合，得到擬合公式為

δ*=-0.000 3δ2-0.007 7δ+1.014 6，

(4)

式中：δ*為風機低速輸入軸軸承的游隙系數(shù)；δ為風機低速輸入軸軸承的徑向游隙。

傳統(tǒng)的L-P軸承壽命計算公式為[9]

(5)

利用(4)，(5)式可以得到考慮游隙的風機低速輸入軸軸承疲勞壽命預(yù)測公式為

(6)

利用(5)式并結(jié)合表1、表2中的數(shù)據(jù)計算可以得到，采用傳統(tǒng)L-P軸承壽命理論計算得到的風機低速輸入軸軸承的基本額定壽命為L10h=290 210 h，超過33年。

由(4)，(6)式可以計算得到不同徑向游隙下風機低速輸入軸軸承的疲勞壽命結(jié)果見表4。

表4 不同徑向游隙下風機低速輸入軸軸承疲勞壽命

3 結(jié)束語

分析1.0 MW型風力發(fā)電機組低速輸入軸軸承徑向游隙與潤滑對其疲勞壽命的影響，基于RomaxDesigner對風力發(fā)電機低速輸入軸軸承進行了仿真，得到了當軸承徑向游隙為-10～0 μm、潤滑油膜參數(shù)在3.21附近時，風電機組低速輸入軸軸承壽命最高；在L-P軸承壽命理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件仿真結(jié)果，提出了一種考慮徑向游隙的風機低速輸入軸軸承疲勞壽命預(yù)測公式，并計算得到了不同徑向游隙下的風機低速輸入軸軸承壽命預(yù)測值。