变桨轴承空载摩擦力矩的有限元分析计算

2011-07-22汪洪胡宝成陈原

轴承 2011年2期

汪洪，胡宝成，陈原

(1．洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳 471039；2．洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039)

风力发电机用变桨转盘轴承安装在桨叶的根部，用于连接桨叶与轮毂。变桨轴承多为双排四点接触球轴承。为了提高承载能力，钢球与沟道间采用过盈装配。此类轴承对内、外圈两排沟道的沟形及沟间距的一致性有很高的要求。内、外圈沟间距不一致时会使摩擦力矩急剧增加，严重影响轴承运转的灵活性。两排钢球的装配过盈量不一致时，会造成偏载，影响轴承的承载能力和使用寿命。实际生产时，为了保证轴承质量，要求在空载时分别测量装入双排钢球和单排钢球时轴承的摩擦力矩，并将两者的比值(以下简称力矩比TR)作为一个重要的质量控制指标。关于变桨轴承理想力矩比TR的具体值，轴承的供需双方有时会产生一定的分歧，但都无法提供可靠的理论依据。为此，采用有限元分析技术，结合轴承的实测结果，探索该指标的数值计算方法。

1 力矩比TR

力矩比TR可以综合反映轴承沟道的加工和装配质量。其理想值是指轴承空载并且其内、外套圈的两排沟道尺寸及装配过盈均达到理想状态时，装入双排球和单排球后摩擦力矩的比值。显然，当内、外圈沟间距相差较大时，力矩比TR会大大超过其理想值。相反，当双排球的装配过盈量相差较大时，力矩比TR会小于理想值并趋近于1。

运用经典轴承理论进行分析计算，得出力矩比TR接近于2的结论。然而，其是以套圈的刚性假设为前提的，认为弹性变形仅发生在钢球与沟道接触处的微小范围。因为假设套圈是刚性的，即使一排钢球与沟道间存在很大的过盈量也不会对另一排钢球的接触产生任何影响。从这个意义上讲，力矩比接近于2是合理的。然而，套圈的刚性假设对于变桨轴承是不能成立的。因为变桨轴承套圈的有效壁厚通常远小于其直径，受载后容易发生整体弹性变形。因此，对于变桨轴承的计算，只有将整个套圈视为弹性体，其计算结果才会更接近真实情况。为此，采用有限元分析技术进行摩擦力矩的分析计算。

2 有限元分析模型

在进行空载摩擦力矩的测量时，变桨轴承水平放置，仅承受重力。由于在通过钢球中心的径向平面和两个相邻钢球径向平分面上都存在切向对称性，在进行套圈分析时，只需要取出内、外圈包含半个钢球的小的扇形段进行研究即可。单排球的有限元分析模型如图1所示。

图1 变桨轴承的有限元分析模型

外载荷为作用于每个单元上的体力，即重力。边界条件：(1)内、外圈沿两个侧面的法向对称约束；(2)钢球沿中心截面的法向对称约束；(3)外圈底平面沿法向的位移约束。

每个钢球与内、外圈沟道构成4个接触对，单排球计算模型的应力分布图如图2所示。

图2 变桨轴承空载时的应力分布图

3 有限元分析和实测结果

3.1 有限元分析

根据文献[1]，装入单排钢球后轴承的总摩擦力矩M为

M=DpwZPμ,

(1)

式中：Dpw为球组节圆直径；Z为钢球数量；P为半个钢球与沟道的法向接触力之和；μ为滚动摩擦系数。

设装入单排和双排钢球时的摩擦力矩分别为M1，M2；装入单排钢球时钢球与内圈上、下侧沟道间的法向接触力分别为Q11，Q12；装入双排钢球时，钢球与内圈两排沟道间的法向接触力分别为Q21，Q22，Q23，Q24。由(1)式得

M1=DpwZ(Q11+Q12)μ,

M2=DpwZ(Q21+Q22+Q23+Q24)μ。

式中的所有法向接触力按照上述有限元分析方法求出，结果见表1。

表1 有限元分析计算得到的法向接触力

从表1可以看出，由于内、外圈的弹性变形，双排球安装时，钢球与沟道间的法向接触力与单排球相比出现了大幅度的下降，使得力矩比TR小于2。计算结果还显示,随着过盈量的增加,钢球与沟道间的接触力也随之增大。随套圈弹性变形的增加,力矩比TR呈减小趋势，表明钢球对套圈的扩张作用在不断增强。此外，对于同一排沟道，其上侧沟道比下侧沟道承受了更多的载荷。