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兆瓦级风电机组变桨轴承设计与技术要求

2012-08-21 来源:《风能》 浏览数:1419

因此:
  由于四个滚道中任一滚道出现疲劳破坏时,就可认为整套轴承出现了疲劳破坏,
故有: ,代入上式,则整套轴承的额定寿命L10b 为:

  2 成品的技术要求
  2.1 热处理的技术要求
套圈热处理采用调质处理,调质硬度260HB ~ 290HB,只有调质硬度超过260HB 时,套圈基体的机械性能才能达到要求。沟道采用中频表面淬火,硬度HRC57 ~ 62,硬化层成品厚度取决于钢球直径,最薄应大于4.5mm ;齿轮采用中频或高频表面淬火,硬度HRC50 ~ 60,硬化层厚度取决于齿轮模数,硬化层厚度最薄应大于1.5mm。
  沟道的热处理有效硬化层厚度对产品的使用寿命起到至关重要的作用,是产品保持寿命的基础。由于42CrMo4V 是表面淬火,硬化层与基体之间没有过度层,因此承受载荷时出现疲劳的位置会在硬化层与基体之间。如果沟道硬化层厚度不足,沟道载荷的作用力就会直接作用到硬化层与基体之间位置,使硬化层与基体之间产生疲劳裂纹,当疲劳裂纹严重时会使沟道成片状脱落,造成轴承损坏。
  沟道在承受瞬间极限载荷时,由于沟道硬化层厚度不足,屈服强度达不到设计要求,会在沟道与滚动体接触部位产生塑性变形,压出痕迹,轴承的旋转会产生振动。当沟道长时间承受大载荷时,在长时间的运行中,滚动体会缓慢的挤压沟道,使沟道产生塑性变形,将塑性变形产生的变形量从软带位置挤出,在形成凸出,影响轴承的旋转,严重时会卡死轴承。考虑到变桨轴承的可靠性和使用寿命,沟道硬化层厚度要高于普通转盘轴承的30%。
  2.2 游隙、旋转精度与单个沟道的启动摩擦力矩的要求
  由于叶片的挠性和风的共同作用,叶片一直处于高频振动并直接传导到变桨轴承上。若沟道与钢球之间存在间隙,在高频振动的作用下,钢球和沟道间产生冲击载荷,冲击载荷的破坏力要远远超过静载荷,因此变桨轴承采取“负”游隙,即沟道与钢球之间以预过盈的形式消除钢球和沟道间产生的冲击载荷。“负”游隙值的大小取决于过盈量对双沟道间变形的影响。
  单沟道启动摩擦力矩是产品旋转精度与零件加工精度的最终反映,因为变桨轴承采取“负”游隙单个单沟道启动摩擦力矩取决于套圈沟道的几何精度(圆度)和弯曲变形。内外圈沟道圆度长短轴相互位置决定该位置钢球和沟道间的游隙。为保证变桨轴承的“负”游隙,必须通过改变钢球尺寸的方法,迫使轴承套圈产生弹性变形,从而保证在整个沟道的任何位置都是“负”游隙,这样轴承套圈产生弹性变形最大的地方压力越大启动摩擦力矩也是最大,反之轴承套圈产生弹性变形最小的地方压力越小启动摩擦力矩也是最小。对于套圈弯曲变形,由于内外圈沟道在旋转时必须在一个平面内,内外圈各自弯曲变形,使得内外圈沟道不在一个平面内,因此变桨轴承旋转时,迫使轴承套圈产生弹性变形,内外圈沟道在旋转时在一个平面内;同样轴承套圈产生弹性变形最大的地方压力越大启动摩擦力矩也是最大,反之轴承套圈产生弹性变形最小的地方压力越小启动摩擦力矩也是最小。这造成单个单沟道启动摩擦力矩在一圈范围内差别很大,影响成品的启动摩擦力矩。虽然在工作时不需要很高的旋转精度,但只有严格规定旋转精度才能使套圈在加工时有高的几何精度和很小的弯曲变形。使得单沟道启动摩擦力矩在一圈范围比较均匀,对成品的启动摩擦力矩控制奠定良好的基础。
  单沟道启动摩擦力矩值的测定是轴承变桨轴承采取“负”游隙的保证。采用传统测量游隙的方法无法准确测量“负”游隙,只能起到辅助测量的作用,只有通过测量单沟道启动摩擦力矩值来确定。
  两个单沟道启动摩擦力矩的差值决定两沟道受力的均匀性,两个单沟道启动摩擦力矩的差值大表明两个单沟道的过盈量差值大。试验也证明,在工作载荷的条件下,单个单沟道基本满足工作载荷,但当承受极限载荷时,由于两个沟道启动摩擦力矩的差值大即过盈量差值大,沟道启动摩擦力矩大的(过盈量大)沟道承受载荷大,首先出现沟道疲劳,等到沟道启动摩擦力矩小(过盈量小)的沟道参与承受载荷时,首先出现疲劳的沟道承载能力将大幅下降,导致轴承的寿命大幅缩短。只有严格规定两个单沟道启动摩擦力矩的差值才能保证两个沟道平均分摊的承受载荷,使轴承的承载能力最大化。
  2.3 成品启动摩擦力矩的要求
  成品启动摩擦力矩由轴承启动惯性力矩、轴承的动摩擦力矩和轴承密封的静摩擦力矩构成。密封的静摩擦力矩作用主要是即保证密封圈的密封压缩量要能满足在使用寿命中,轴承的腔内工作压力保持在0.2MPa,腔内极限压力达到0.25MPa 又不能使驱动装置的负荷过大。轴承启动惯性力矩由轴承质量所决定,轴承启动惯性力矩、轴承的动摩擦力矩的合成力矩称为装配启动摩擦力矩即未装密封的成品启动摩擦力矩。
  轴承的装配启动摩擦力矩是变桨轴承的最重要指标之一,它的重要作用是,在一圈范围的均匀性决定了变桨驱动装置工作的稳定性。由于双排沟道在加工中会出现沟道心距的误差,这种误差在装配后无法检测,通过有限元分析(FEA)技术对摩擦力矩进行如下分析计算。

【延伸阅读】

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阅读上文 >> 利用掠-扭耦合效应降低风电机组叶片载荷的研究
阅读下文 >> 液压系统管路中油液的流动状态

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