偏航轴承寿命及螺栓强度校核实例

宋吉祥，郭绍鹏，马新忠，李 立，郭静瑜，包建飞

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039;2.常熟长城轴承有限公司，江苏 常熟 215500)

风力发电机偏航轴承是偏航系统的关键部件，安装于机舱底部，承载着机舱的全部重量，是叶片处于合理迎风角度的保证。其一般安装在数十米甚至百米高的塔架上，维修更换极其不便，一般均要求20年以上寿命。偏航轴承不仅承受较大的轴向力，而且承受很大的倾覆力矩，所以其必须具备足够的强度和承载能力。

偏航轴承的内、外圈分别通过螺栓与风机机舱、塔架相连接，其所承受的轴向载荷及倾覆力矩均通过螺栓传递给塔架。因此，螺栓的强度至关重要。下面通过实例介绍某四点接触球轴承的偏航轴承寿命和螺栓强度的校核。

1 工况条件

某型号偏航轴承的结构如图1所示。其工况条件为：径向载荷Fr=95.4 kN，轴向载荷Fa=400 kN，倾覆力矩M=410 kN·m，轴承转速n=0.1 r/min，轴向游隙为-0.03～0.05 mm；轴承内齿模数m=14，齿数z=154，径向变位系数x=+0.5，精度为998GK；外圏安装孔64-M24，孔位置公差0.5 mm；内圈安装孔64-M24，孔位置公差0.5 mm；工作温度为-30～50 ℃，要求轴承能够承受日照、粉尘、雨水浇淋。

图1 四点接触球轴承结构简图

2 轴承寿命及最大接触应力校核

轴承设计参数为：内径d=2 142.344 mm；外径D=2 496 mm；球组节圆直径Dpw=2 360 mm；内圈沟曲率半径ri=21.67 mm；外圈沟曲率半径re=22.29 mm；钢球直径Dw=41.275 mm；接触角α=45°；钢球数目Z=142。材料为42CrMo钢。

2.1 寿命校核

2.1.1 钢球最大载荷Qmax

轴向力偏心距为：

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分别为主、辅沟道的载荷分布范围参数；J(ε1)，J(ε2)分别为钢球在主、辅沟道内的载荷积分；JM(ε1),JM(ε2)分别为钢球在主、辅沟道内的力矩积分；J(ε1,ε2)，JM(ε1,ε2)分别为钢球载荷和力矩分布积分。

主沟道上钢球的最大载荷Q1max为：

(1)

将各参数代入(1)式得：Q1max=14.6 kN。

辅沟道上钢球的最大载荷Q2max为：

(2)

将各参数代入(2)式得：Q2max=4.41 kN。

2.1.2 钢球当量载荷

主沟道钢球当量载荷为：

辅沟道钢球当量载荷为：

2.1.3 额定钢球载荷

(4)

将相关参数代入(4)式得：

2.1.4 寿命计算

轴承的寿命为：

经计算得：L10=6.13×106r。

该轴承按所要求的20年使用寿命计算，将其换算成转数为：

L=1.05×106r。

显然，L10>L，所以轴承设计寿命满足使用要求。

2.2 最大接触应力

额定载荷系数γ为：

内沟道主曲率和函数∑ρi为：

内沟道主曲率差函数F(ρi)为：

外沟道主曲率和函数∑ρe为：

外沟道主曲率差函数F(ρe)为：

轴承的最大接触应力为：

(5)

Hertz接触系数由F(ρi)和F(ρe)查文献[2]的Hertz接触系数表利用插值法求得：

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

式中：eia，eib为钢球与内圈的接触椭圆系数；eea，eeb为钢球与外圈的接触椭圆系数。

将相关参数值代入(5)式得：

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

3 螺栓强度校核

螺栓材料选用45#钢，调质后屈服极限σT=640 MPa，对称循环疲劳极限σ-1=307 MPa。

受载最大螺栓上工作载荷PL max为：

式中：d1为内圈安装孔直径；n为安装孔个数。

螺栓预紧力Py为：

Py=KyPL max(1-x)=7.527 kN。

式中：Ky为连接面紧密性安全系数，取Ky=2；x为相对刚度系数，x=0.25。

螺栓小径截面A1为：

A1=338.22 mm2。

则，螺栓预紧应力σy为：

螺栓上最大许用计算载荷Pj为：

Pj=Py+xPL max=8.782 kN。

螺栓小径断面拉应力σ1为：

预紧时螺纹上的摩擦力矩Mp为：

Mp≈0.12Pydn=21.677 76 N·m。

式中：dn为螺栓公称直径。

螺栓小径断面切应力τ1为：

螺栓承受拉扭组合力，根据第四强度理论，螺纹根部的最大合成应力σ1s为：

塑性变形安全系数nT为：

螺栓所受的循环应力σa为：

螺栓疲劳安全系数na为：

式中：[σa]为螺栓螺纹部分对称循环疲劳极限；Kσ为螺纹有效部分应力集中系数。

所以螺栓能够安全使用。

4 结束语

通过对该偏航轴承的实例计算，从理论上可知轴承的寿命和螺栓强度满足要求，为相关人员对相关类型轴承的设计计算提供了依据。