基于ABAQUS和FATIGUE的风电转盘轴承疲劳寿命计算

2016-07-26马振革陆超洪荣晶陈捷

轴承 2016年1期

马振革，陆超，洪荣晶，陈捷

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳 471003；2.南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211800)

风电转盘轴承作为风力发电机的一个重要零部件，对质量要求较高。因此，安装使用前必须对轴承疲劳寿命进行估计。Lundberg和Palmgren提出的L-P模型寿命公式在一定程度上解决了中小尺寸轴承的寿命计算问题，但并不适用于大型转盘轴承的计算。针对此，国内外学者提出了复杂工况下的转盘轴承寿命计算修正公式。文献[1]结合风机行业的设计规范与标准，合理利用相关的计算方法得到了转盘轴承寿命的计算公式，具有一定的实际工程应用价值。文献[2]对应力寿命法和应变寿命法作了比较，结果表明应力寿命更适合转盘轴承的疲劳寿命计算。但进一步研究发现，转盘轴承的理论寿命计算方法非常繁琐，且并不适用于所有类型的转盘轴承。因此，文中以四点接触球转盘轴承为研究对象，提出基于ABAQUS和FATIGUE的转盘轴承疲劳寿命计算方法。

1 风电转盘轴承疲劳寿命的计算

1.1 当量动载荷

风电转盘轴承所受外部载荷为轴向力Fa、径向力Fr和倾覆力矩M，作用于转盘轴承几何中心。风电转盘轴承寿命[3-4]没有通用的计算方法,根据Lundberg- Palmgren的疲劳寿命理论[5-7],其计算公式为

(1)

式中：Ca为额定动载荷；Pa为当量动载荷；a1为可靠性寿命调整系数；a2为沟道硬度调整系数；a3为润滑系数；ε为疲劳寿命系数，对于球轴承，ε取为3。

当量动载荷[5]为

(2)

式中：Dpw为球组节圆直径。

1.2 额定动载荷

Lundberg 和 Palmgren将 Weibull损伤概率理论应用于轴承寿命的计算中，并且考虑轴承的尺寸及应力循环次数的影响，在此基础上依据试验结果修正相关系数与指数，球轴承基本额定动载荷为

(3)

式中：Dw为钢球直径；fcm为轴承的材料系数;i为钢球列数；Z为钢球数；α为接触角。

2 基于ABAQUS的转盘轴承接触应力分析

疲劳寿命仿真计算流程如图1所示，主要分为2个阶段，即有限元分析阶段和疲劳寿命仿真阶段。第1阶段是整个计算过程的前提和基础，第2阶段为用疲劳分析软件对有限元分析的结果进行疲劳寿命的计算。

图1 疲劳寿命仿真流程图

2.1 有限元分析

以型号为QNA730-22的转盘轴承为例，其结构尺寸为：球组节圆直径Dpw=730 mm，钢球直径Dw=22.5 mm，钢球数Z=91，接触角α=45°，内沟曲率半径系数fi=0.52。内外圈材料为42CrMo，其力学性能参数为：弹性模量E=206 GPa，抗拉强度Rm=1 080 MPa，屈服强度Re=930 MPa。转盘轴承转速为0.052 r/min。

由于转盘轴承受力复杂，钢球与沟道的接触载荷受多种因素影响，且有限元计算过程极易出现迭代不收敛[8]，从而无法得出理想计算结果。因此对模型进行简化：1)不考虑重力的影响；2)不考虑螺栓预紧力的影响；3)忽略对研究目标影响不大的外形特征(如齿形)；4)由于对称性，截取半个转盘轴承进行有限元分析，如图2所示。

图2 转盘轴承有限元模型

将转盘轴承模型导入ABAQUS中进行分析，钢球与沟道定义为面面接触，接触性质为法向硬接触，切向摩擦因数为0.04。

在外圈底面上加载全约束边界条件，在两端施加对称边界约束条件。建立一圈刚性元，将内圈上表面耦合于内圈上表面的几何中心点，外部载荷加载在中心点，通过刚性元作用在内圈上。约束与载荷的施加如图3所示，在中心点处施加该转盘轴承所能承受的极限载荷Fa=96 kN，Fr=101.8 kN，M=240 kN·m。

图3 施加载荷与约束

对模型采用六面体C3D8R单元，利用扫略网格划分。由于钢球与沟道之间为接触发生区域，考虑到计算精度以及计算效率问题，对钢球与沟道内侧采用细分网格，其余部位相对较粗，如图4所示。

图4 网格划分

2.2 结果分析

极限载荷下，转盘轴承的应力分布如图5所示,最大应力出现在沟道接触处，为2.442 GPa，这与实际应用中转盘轴承沟道与钢球接触部位经常出现破损、点蚀的情况相符,进一步验证了有限元模型的正确性。

图5 有限元分析结果

3 基于FATIGUE的转盘轴承疲劳寿命分析

3.1 材料的疲劳属性

FATIGUE的材料数据库中没有转盘轴承所用的42CrMo，因此需根据42CrMo的材料属性新建材料数据库，由FATIGUE软件自动生成42CrMo的S-N曲线，如图6所示。

3.2 载荷谱

风电转盘轴承由于其特殊的工作环境，通常并不作连续转动，只是作小角度回转，大多数时间处于锁紧状态。由于随机变化的风速、风向的影响，导致转盘轴承承受交变随机载荷，由此引起的微动磨损造成转盘轴承的疲劳失效。

载荷信息可以使用软件中的时间历程数据库管理器来定义。根据文献[9]中所介绍的转盘轴承载荷谱作为本次疲劳寿命估算的载荷信息，文献中的载荷谱均为雨流计数法简化后一次应力循环中的最大值，并定义其最小值为0。定义最大载荷为1和最小载荷为0的交变载荷，交替频率可以通过转速计算。此外定义的最大载荷及最小载荷只是一个相对量，即载荷值是疲劳分析软件载荷信息中的值与ABAQUS中施加载荷的比值。由于在加载状态下转速为0.052 r/min，转盘轴承的钢球数为91，所以钢球与滚道的接触频率为0.052×91/60=0.078 8。将以上信息输入FATIGEU的载荷信息模块得到如图7所示的载荷信息图。