齿轮箱行星轮轴承失效分析及设计改进

纪云巧

（瓦房店轴承集团有限责任公司 工程中心，辽宁 瓦房店 116300）

1 前言

风电齿轮箱将叶片产生的动力传递给发电机发电，是风力发电设备的关键部件。为满足发电机额定转速需求，风电齿轮箱多采用多级行星齿轮传动方式。在风电齿轮箱行星轮传动组件中，无外圈满装圆柱滚子轴承得到广泛应用，因为这种轴承完全是为了承受重载荷而设计的，具有极高的承载能力，尤其在外圈为斜齿轮的情况下，除了承受较大的径向力，还要承受较大的轴向载荷。因此行星轮系轴承的可靠性对提高风电齿轮箱传动可靠性具有重要意义。

2 轴承结构简介

为某用户齿轮箱行星轮提供的圆柱滚子轴承，见图 1。此圆柱滚子轴承无外圈，采用的是一体黄铜保持架。保持架内引导，同时采用外侧带锁点结构，滚子从保持架外径处通过锁点装入保持架与内圈滚道之间。

图1 圆柱滚子轴承结构简图

d1——内圈挡边的直径

Dw——滚动体直径

3 轴承失效原因分析

图 2 所示为典型的轴承失效状态。

图2 轴承失效图

从上图可以看出轴承的主要失效形式为滚动体及套圈挡边大块材料掉落，初步分析受到了较强的轴向力。而由于行星轮轴承外圈为斜齿轮的原因，行星轮轴承本身就承受了很强的轴向分力。应客户要求，对于行星轮轴承内圈挡边高度系数取 0.4*Dw，以此来提高轴承的轴向承载能力，但依然出现材料掉落的失效形式，因此，对行星轮轴承进行 Ansys 分析。分析结果如下：

以 RNN4256 为例，当挡边高度系数为 0.4* Dw，即 d1= φ386.4mm 时，从图 3 可以明显看出挡边外径仍然处于载荷区内。

图3 挡边外径处于载荷区内

当取挡边高度系数为 0.45*Dw，即 d1= φ392mm 时，从图 4 可以明显看到挡边外径处于载荷区外。

图4 挡边外径处于载荷区外

4 轴承设计改进

为了减小滚子与轴承挡边的轴向应力，除了增大内圈挡边直径外，同时对内圈挡边及滚动体端面进行修形改进，进而减小了轴承的温升。

改进措施：圆柱滚子端面由直端面改为弧端面，同时套圈挡边由直挡边改为带角度挡边，见图 5。

图5 滚子端面和套圈挡边的改进

滚子端面的弧度与斜挡边中间椭圆标记位置处接触。滚动体端面采用直端面与弧端面的区别可以通过 Ansys 进行模拟分析，分析结果如下。

由图 6 可以看出，当滚动体端面为直端面时，套圈挡边与滚动体端面的接触痕迹为很窄的一段圆弧，挡边的最大接触应力为 894MPa。

图6 滚动体端面为直端面

当滚动体端面为弧端面时，套圈挡边与滚动体端面的接触范围在一个椭圆内，挡边的最大接触应力为 251MPa，见图 7。

图7 滚动体端面为弧端面

通过对比可知，对滚动体端面进行球面修形设计后，在轴承实际运转过程中，轴承套圈挡边的受力将会明显降低，同时接触方式的改变也减小了轴承的温升。

5 结束语

对于行星轮轴承，尤其是外径带斜齿轮的行星轮轴承，低速重载，同时承受轴向分力，因此设计行星轮轴承时必须要考虑轴承挡边的强度，同时要考虑行星轮轴承易发热的情况。针对轴承的实际运行工况对轴承进行相应的设计改进，从而降低轴承失效的几率。