大型变桨轴承的力学性能研究现状及展望

张洪伟，陈曙光，薛六涛，罗虹

(1.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617；2.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100192；3.北京京冶轴承股份有限公司，北京 102617)

1 概述

风能作为可再生绿色资源受到世界各国的高度重视，近年来风力发电技术迅速发展，带动了一大批配套设备行业的发展[1-2]。为了促进国产风电设备及其关键零部件生产企业的发展，国家发改委明确提出了我国风电场建设时本土风电设备的使用率要达到70%以上[1]。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》中也提出要推进风电行业发展，实现大型风电设备的技术突破。与国外相比，我国对大型风电设备的研发较晚，技术相对落后[2]。轴承作为风电设备的关键零部件，技术难度大，制约着我国风电设备的发展[3-6]。

风电专用变桨轴承如图1所示，安装在高40～100m的塔架上，安装及更换不便，变桨轴承可同时承受倾覆力矩、轴向载荷和径向载荷，通常在低速重载的工况下工作，环境恶劣，且要求使用寿命不少于20年，这就对轴承的设计及制造工艺提出了更高的要求。四点接触球转盘轴承尺寸大，沟道结构复杂，加工及装配难度大。与国外相比，我国自主研发的风电转盘轴承性能与国外仍有一定的差距[5-6]。

图1 风电专用变桨轴承

我国的低风速风能资源约占全国总面积的74%，随着风力发电机组在低风速区的推广，叶片设计及变桨策略都需不断调整和优化，这就对变桨轴承的设计制造技术提出更高的要求。仅仅靠引进生产线制造轴承，不能促进变桨轴承制造技术的发展，必须深入研究变桨轴承的力学机理及疲劳特性，考虑实际工况，基于风电机组承受的空气动力载荷、重力载荷、惯性载荷和运行载荷等，进行典型工况下的时序载荷计算，确定滚动轴承内部的载荷分布、接触应力及变形等，并对滚道进行精确疲劳寿命计算，分析其承载及损伤机理，才能为转盘轴承的设计提供参考。

变桨轴承工况条件恶劣，转动范围及转速小，主要通过力学模型法和有限元法对其进行静强度分析，这也是进行风电机组零部件强度分析及寿命设计的重要依据。力学模型法主要通过对变桨轴承承载前后几何结构的变化进行分析，利用弹塑性力学相关理论建立力学平衡方程，得到相应的理论计算方法。由于变桨轴承力学问题的复杂性和力学模型的局限性，有限元法越来越受到学者的广泛应用，成为研究变桨轴承载荷分布及力学分析的重要方法。

2 变桨轴承计算力学模型研究现状

变桨轴承外圈无轴承座的支承，内圈无实心刚性轴的支承，在承受复杂外载荷时，轴承内外圈产生变形，会对滚动体载荷分布及接触应力产生影响，以普通轴承的设计方法来指导变桨轴承的设计具有局限性。

文献[7]分析了受载后的单排四点接触球轴承的沟曲率中心变化以及轴承和支承结构的弹性位移，确定了实际接触角与初始接触角的关系，建立四点接触大型转盘轴承的承载能力计算模型，研究了在轴向力、径向力及倾覆力矩联合作用下，初始接触角、密合度、游隙值以及支承结构刚度对轴承承载能力及实际接触角的影响；文献[8]考虑转盘轴承载荷分布对轴承选型、校核的影响，以通用轴承的计算理论为基础，开发了适用于计算单列大型转盘轴承载荷分布的程序，证明了刚性支承结构基于余弦的接触载荷分布，但该方法未考虑原始游隙对接触载荷分布的影响；文献[9]建立了在轴向力、径向力及倾覆力矩联合作用下四点接触转盘轴承的静承载能力计算模型。

文献[10]分析了单列四点接触球转盘轴承承受轴向载荷时球的受力情况，通过Hertz接触理论及轴承几何学理论推导出转盘轴承的承载能力，分析了影响转盘轴承承载能力的主要因素；文献[11]阐述了变桨轴承承载后的几何变形，分析了轴向力作用下接触角的变化，又建立了变桨轴承载荷分布模型并进行求解，讨论了游隙值与承载力的关系；文献[12]通过对四点接触球轴承的载荷与变形关系进行分析，得到轴承的主要参数与承载能力的关系；文献[13]研究了空载条件下负游隙值对单排四点接触球轴承接触变形的影响，并在此基础上推导出套圈的变形方程，得到在外载荷作用下球的接触应力分布；文献[14]基于刚性套圈假设，通过双排四点接触球轴承载荷分布理论计算在不同的负游隙值下各球的接触载荷；文献[15]对双排四点接触球轴承承载后的几何参数进行分析，得到接触角、球数以及游隙值对双排四点接触球轴承最大接触力的影响；文献[16]以稳定性理论为基础，基于刚性和柔性套圈假设分析变桨轴承的载荷分布情况；文献[17]根据四点接触球轴承的载荷分布模型，分析轴承的载荷分布、承载能力以及寿命计算方法。

上述国内外力学模型大多集中在单排四点接触球轴承上，主要以Hertz理论为基础，一般假设套圈为刚性。随风电单机装机容量的不断增大，单排四点接触球轴承已不能满足兆瓦级变桨轴承的需求，双排四点接触球轴承的应用越来越广泛，变桨轴承尺寸随单机装机容量的增加而增大，基于刚性套圈的假设研究大型变桨轴承的力学特性具有局限性。

3 变桨轴承有限元分析研究现状

变桨轴承尺寸大、受载复杂，而力学模型存在较多的简化，试验又具有局限性，因此，有限元法越来越受到国内外学者的广泛关注。

文献[18]假设实际接触角与初始接触角相同，以线性杆单元代替滚动体建立了滚动轴承有限元模型对轴承载荷分布进行分析；文献[19]以包括转盘轴承支承结构在内的整个系统为研究对象，通过有限元法对其载荷分布进行了研究；文献[20]考虑了螺栓连接的刚度及非线性接触特性对于大型轴承力学性能的影响，构建了二维有限元模型进行计算分析；文献[21]提出了考虑结构弹性影响的四点接触球转盘轴承的载荷分布计算程序，并进行有限元计算；文献[22]通过建立轴承的局部有限元模型研究了轴承的滚动体与套圈之间的接触特性；文献[23]采用桁架结构模拟转盘轴承球与沟道的作用，建立转盘轴承有限元模型，分别对刚性套圈和柔性套圈下的单列、双列、三列转盘轴承的承载能力进行研究；文献[24]假设轴承受载后滚动体与套圈的作用与非线性弹簧单元特性相吻合，并通过与Hertz弹性接触理论对比，验证假设的正确性，通过该假设分析了不同承载条件下滚动体的接触应力分布；文献[25]假设接触区域为长方形，为分析轴承受载后的沟曲率中心变化，由刚性梁单元牵引的非线性弹簧来替代钢球的作用分析轴承静承载能力。

文献[26]建立了四点接触球轴承的有限元模型，通过ANSYS Workbench对轴承的接触应力及变形进行分析，并与Hertz理论对比；文献[27]利用ANSYS Workbench对大型变桨轴承进行分析，讨论了螺栓预紧力对载荷分布的影响；文献[28]通过有限元法计算了单、双变桨轴承的摩擦力矩；文献[29]基于ABAQUS分析了变桨轴承的强度；文献[30]基于ANSYS分析了变桨轴承连接螺栓的强度问题。

4 存在问题及展望

1) 国内对变桨轴承的力学性能分析进行了大量的研究，主要基于Hertz接触理论，并建立了数学模型，并对有限元法进行尝试。国内企业在设计变桨轴承时仍以经验计算为基础，缺少高效的有限元数值计算方法。

2) 在复杂工况下，风机轴承滚动体与滚道的接触位置未知，套圈结构弹性变形、动态接触应力及接触弹性变形等具有较强的非线性，使得载荷分布和承载机理不同于传统小型轴承，在应用中，轴承接触界面参数及材料表面状态对于低速重载轴承的滚道磨损疲劳具有较大影响，至今仍缺少一种考虑滚动体和滚道界面参数且适用于大规模接触计算的力学模型或有限元模型。

3) Hertz接触理论假设轴承内外圈完全刚性，更适用于计算小型轴承的内部载荷分布；传统的Hertz理论未考虑接触面微观形貌对接触状态的影响，不能应用于微观接触机理的研究，其求解结果与实际情况有较大误差，故需建立考虑轴承接触界面的接触理论。

4)现有大型变桨轴承的研究，常忽略表层物理力学性能状态对于轴承力学性能及疲劳寿命的影响，经验表明，轴承滚道表面硬度和淬硬层深度与其许用接触应力存在一定的关系，表面硬化层及残余应力状态对疲劳寿命起主要作用，后续研究中，应引入表面完整性的影响，考虑滚道淬硬层及残余应力等因素，建立基于表面完整性的疲劳寿命预测方法。

5) 现有变桨轴承研究重点集中于载荷分布及其静强度上，通常是基于极限载荷进行分析，基于疲劳载荷的寿命计算较少，而变桨轴承服役工况复杂，对于极限载荷及疲劳载荷，涉及到较多载荷工况，获得相对准确的计算载荷的方法非常重要，目前仍缺少复杂工况下的建模及仿真研究。 应建立风电机组系统动力学模型，通过有限元仿真及风场实测技术研究影响载荷的典型工况、影响载荷变化的因素及载荷变化规律，建立适用于风电机组载荷仿真分析的工况，进行典型工况的时序载荷计算，基于疲劳载荷和极限载荷进行接触应力分析及全寿命的疲劳强度分析。