引文格式:杨晋,王建梅,宁文刚,等.配合过盈量对风电齿轮箱轴承疲劳寿命的影响[J].轴承,2023(6):64-71.
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目前有关风电齿轮箱轴承寿命的研究多数未考虑行星轮轴承配合过盈量的影响,而行星轮轴和行星轮内圈存在一定的制造和安装误差,会影响轴承配合的过盈量,轴承配合过盈量会影响行星轮系传递载荷性能,进而影响轴承寿命。本文以某兆瓦风电齿轮箱一级行星轮前轴承(双列圆柱滚子轴承)为研究对象,建立考虑配合影响的轴承疲劳寿命数值仿真分析模型,分析行星轮轴和行星轮内圈的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度对轴承疲劳寿命的影响。
1—一级行星轮轴;2—前轴承;3—一级行星轮;4—后轴承。
图1 风电机组齿轮箱结构图
Fig.1 Structure diagram of wind turbine gearbox
图2 轴承受力分析图
Fig.2 Force analysis diagram of bearing
在进行寿命计算时,需将实际的载荷转化为当量动载荷P,即P=fp(XFr+YFa),(2)式中:X为径向动载荷系数,取0.94;Y为轴向动载荷系数,取0.53;fp为冲击载荷系数,取1.08。图3 厚壁圆环示意图
Fig.3 Diagram of thick-walled ring
考虑单位面积尺寸较小,则(6)式可化简为(7)根据平面应力假设,圆环应力和应变的关系为(8)式中:εr,εt为径向应变;E为材料弹性模量;ν为材料泊松比。当圆环承受径向力时,将产生变形δ′,圆环应变可表示为(9)由于厚壁圆环边界上的内外表面压力等于径向接触应力,边界条件设定为r=r1,σr=-p1,r=r2,σt=-p2,由(7)—(9)式可得到圆环任意位置的径向变形为(10)式中:p1,p2分别为圆环外、内径面单位长度的接触应力;r1,r2分别为圆环外、内半径。当两零件过盈配合时,接触区域会产生接触应力,进而使两接触体产生径向变形,配合过盈量可表示为(11)式中:分别为两接触体的径向变形。基于轴承的配合过盈量关系,可知两零件配合面的接触应力为(12)式中:dc,dd为一个零件的内、外径;dd,de为另一零件的外、内径。通过(10)—(12)式可得内、外圈变形量为(13)(14)k=ri/r,l=r/rs,m=R/re,n=rh/R,式中:ri,re为内、外圈滚道半径;rs为行星轮轴半径;r,R为内、外圈半径;rh为行星轮内圈半径;E1,E2,E3分别为行星轮轴、轴承以及行星轮材料的弹性模量;ν1,ν2,ν3分别为行星轮轴、轴承以及行星轮材料的泊松比。考虑轴承配合公差后的轴承径向游隙为(15)式中:Gr0为轴承初始径向游隙。图4 滚子受力示意图
Fig.4 Force diagram of roller
由变形协调关系可得各方位角的滚子与内、外圈滚道总的接触变形为[16]
δj=δicos φj-Gr/2。
(17)
滚子载荷与变形的关系为
Qj=Knδjn,
(18)
式中:Kn为载荷-位移常数;对于滚子轴承,n取10/9。
图5 行星轮轴与轴承三维模型
Fig.5 3D model of planetary gear shaft and bearing
表1 双列圆柱滚子轴承模型参数
Tab.1Model parameters of double row cylindrical roller bearing
图6 轴承内、外圈配合公差带
Fig.6 Fit tolerance zone of bearing inner and outer rings
首先,通过(1)—(5)式可得轴承在稳定外载荷下的接触应力分布和变形;其次,通过(6)—(15)可得考虑配合影响的轴承接触应力分布和变形;然后,通过(16)—(18)式可得外载荷下考虑配合影响的滚子载荷与变形关系;最后,基于上述载荷-变形关系通过(19)式计算得到轴承修正参考额定寿命。基于上述方法,采用行星轮轴承的数值仿真模型,分析行星轮轴和行星轮内圈尺寸公差、形位公差以及表面粗糙度对轴承疲劳寿命的影响。表2 行星轮轴与轴承内圈的配合公差与配合过盈量
Tab.2Fit tolerance and interference of planetary gear shaft and bearing inner ring
结合表2计算不同行星轮轴尺寸公差时的轴承疲劳寿命,如图7所示:1)当配合公差由g6向p6转变时,轴承内圈与行星轮轴由过渡配合变为过盈配合,配合过盈量增大,轴承疲劳寿命增加,配合公差p6时轴承疲劳寿命达到最大值(1.76×105 h);2)当配合公差由p6向r6转变时,轴承疲劳寿命降低,这是由于配合过盈量过大时,轴承摩擦增大,温升引起的配合面环向压力增大[20],轴承疲劳寿命降低。图7 不同行星轮轴尺寸公差时的轴承疲劳寿命
Fig.7 Fatigue life of bearing under different dimensional tolerances of planetary gear shaft
3.1.2 行星轮内圈尺寸公差
设定轴承内圈与行星轮轴配合公差为js6,内圈极限偏差范围为-45~0 μm,行星轮内圈精度等级为6,转化的极限偏差范围见表3,由于温升效应考虑间隙配合。结合表3计算不同行星轮内圈尺寸公差时的轴承疲劳寿命,如图8所示: 1)当配合公差由H6向J6转变时,轴承疲劳寿命未变化,这是由于这两种配合下轴承外圈与行星轮内圈配合间隙均过大,配合零件之间的接触应力未变化;2)当配合公差由J6向S6转变时,轴承外圈与行星轮内圈由间隙配合、过渡配合转变为过盈配合,配合过盈量增大,轴承疲劳寿命提高。表3 行星轮内圈与轴承外圈的配合公差与配合过盈量
Tab.3Fit tolerance and interference of planetary gear inner ring and bearing outer ring
图8 不同行星轮内圈尺寸公差时的轴承疲劳寿命
Fig.8 Fatigue life of bearing under different dimensional tolerances of planetary gear inner ring
表4 不同行星轮轴形位公差时行星轮轴与轴承内圈的配合过盈量
Tab.4Fit interference of planetary gear shaft and bearing inner ring under different geometric tolerances of planetary gear shaft
结合表4计算不同行星轮轴形位公差时的轴承疲劳寿命,如图9所示:1)随行星轮轴形位公差由0增加至50 μm,上极限偏差值增大,轴承内圈与行星轮轴的配合过盈量增加,轴承疲劳寿命增加;2)随行星轮轴形位公差由0减小至-50 μm,下极限偏差值增大,轴承内圈与行星轮轴的配合过盈量减小,轴承疲劳寿命降低。图9 不同行星轮轴形位公差时的轴承疲劳寿命
Fig.9 Fatigue life of bearing under different geometric tolerances of planetary gear shaft
3.2.2 行星轮内圈形位公差内圈径向全跳动公差值以15 μm增量添加到内圈的上极限偏差(EI),偏差尺寸为2~5组;以15 μm增量添加到内圈的下极限偏差(ES),偏差尺寸为6~9组,见表5。表5 不同行星轮内圈形位公差时行星轮内圈与轴承外圈的配合过盈量
Tab.5Fit interference of planetary gear inner ring and bearing outer ring under different geometric tolerances of planetary gear inner ring
结合表5计算不同行星轮内圈形位公差时的轴承疲劳寿命,如图10所示:1)随行星轮内圈形位公差由0增加至60 μm,上极限偏差值增大,轴承外圈与行星轮内圈的配合过盈量减小, 轴承疲劳寿命降低; 2)随行星轮内圈形位公差由0减小至-60 μm,下极限偏差值增加,轴承外圈与行星轮内圈的配合过盈量减小,轴承疲劳寿命提高。图10 不同行星轮内圈形位公差时的轴承疲劳寿命
Fig.10 Fatigue life of bearing under different geometric tolerances of planetary gear inner ring
表6 考虑表面粗糙度时行星轮轴和内圈的偏差尺寸
Tab.6Deviation size of planetary gear shaft and inner ring with consideration of surface roughness
结合表6计算不同行星轮轴和行星轮内圈表面粗糙度时的轴承疲劳寿命,如图11所示:1)第1组与第2组相比,行星轮内圈表面粗糙度Ra值由0.8 μm增加到1.6 μm时,轴承疲劳寿命降低0.09%;2)第1组与第3组相比,行星轮轴的表面粗糙度Ra值由1.6 μm增加到3.2 μm时,轴承疲劳寿命降低0.18%;3)第1组与第4组相比,行星轮轴和行星轮内圈的表面粗糙度Ra值均增加,轴承疲劳寿命则降低。上述分析说明表面粗糙度会影响轴承疲劳寿命,但比尺寸公差和形位公差的影响小。图11 不同行星轮轴和内圈表面粗糙度时的轴承疲劳寿命
Fig.11 Fatigue life of bearing under different surface roughness of planetary gear shaft and inner ring
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YANG Jin1,WANG Jianmei1,NING Wengang2,REN Lu1
(1.Engineering Research Center of Heavy Machinery Ministry of Education,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China;2.Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,China)
Abstract: Taking first stage planetary gear front bearings(double row cylindrical roller bearings)for a megawatt-class wind turbine gearbox as research objects,based on Hertz contact theory,thick-walled cylinder theory and GB/Z 36517—2018,a numerical simulation analysis model for fatigue life of the bearings is established with consideration of fit interference.The effects of dimensional tolerance,geometric tolerance and surface roughness of fit parts on fatigue life of the bearings are analyzed.The results show that:the initial fit of the bearings remains unchanged,as the fit tolerance of planetary gear shafts and bearing inner rings changes from g6 to r6,the bearing inner rings change from transitional fit to interference fit,the life of the bearings increases first and then decreases,and the life of the bearings reaches the maximum when the fit tolerance is p6;as the fit tolerance of planetary gear inner rings and bearing outer rings changes from H6 to S6,the bearing outer rings change from clearance fit to transitional fit and interference fit,the life of the bearings first remains unchanged and then gradually increases;as the radial full runout tolerance of planetary gear shafts and inner rings changes,the fit interference increases and the life of the bearings increases,on the contrary,the life of the bearings decreases;an increase in surface roughness values of planetary gear shafts and inner ring leads to a decrease in life of the bearings.
Key words: rolling bearing;wind turbine bearing;double row cylindrical roller bearing;wind turbine;fatigue life;dimensional tolerance;shape tolerance;surface roughness
中图分类号:TH133.33+2;TM315
文献标志码:B
DOI:10.19533/j.issn1000-3762.2023.06.009
收稿日期:2022-09-15;修回日期:2023-01-12
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51875382);山西省回国留学人员科研资助项目(2020125);风力发电关键零部件产教融合研究生联合培养基地资助项目(JD2022021);2022年度山西省研究生教育创新项目(2022Y708)
作者简介:杨晋(1998—),男,硕士研究生,研究方向为风电轴承,E-mail:[email protected]。
通信作者:王建梅(1972—),女,二级教授,工学博士后,主要从事摩擦学、智能制造技术研究,E-mail: [email protected]。
(编辑:钞仲凯)
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