风电转盘轴承径向微动磨损的数值模拟

第8期2013年8月机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE203风电转盘轴承径向微动磨损的数值模拟钱锴，陈捷，高学海一，王华1南京工业大学机电一体化研究所，江苏南京210009；2上海欧际柯特回转支承有限公司，上海201906摘要以某15MW转盘轴承为研究对象，应用ABAQUS软件建立三维球GCRL5轴承钢滚道42CRMO钢接触弹塑性有限元模型，通过改变滚珠与滚道接触时的曲率比，实现球、滚道接触的径向磨损模式，研究了不同曲率比对滚珠与滚道之间接触应力、相对滑移量和动力学曲线等摩擦学关键参数的影响规律。研究结果表明滚道的塑性变形主要发生在第一次加载卸载过程中，后续加载循环塑性变形并不明显；随着曲率比的增加，滚道的变形增大，磨损区域减少；模型的最大应力不在接触表面产生，出现在距离接触表面深度LMM处，这与实际损伤结果相符。关键词转盘轴承；径向微动；微动磨损；接触应力；曲率比中图分类号TH16；TK8文献标识码A文章编号10013997201308020304NUMERICALSIMULATIONOFRADIALFREEINGBEHAVIORSONWINDTURBINESLEWINGBEARINGSQIANKAI，CHENJIE，GAOXUEHAI，WANGHUA1RESEARCHINSTITUTEOFMECHATMNICS，NANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，JIANGSUNANJING210009，CHINA；2SHANGHAIOUJIKETESLEWINGBEARINGCO，LTD，SHANGHAI201906，CHINAABSTRACTWITHA15MWSLEWINGBEARING傩7RESEARCHOBJECT，ITUSESABAQUSTOBUILT3DBALLGCRL5BEATINGSTEE1RACEWAY42CRMOSTEE1CONTACTELASTOPLASTICFINITEELEMENTMODELBYCHANGINGTHECULATUREOFTHEBALLANDRACEWAYCONTACTRATIO，BALLANDRACEWAYCONTACTRADIALWEARPATTERN，ITSTUDIESTHEDIFFERENTCURVATURERATIOBETWEENBALLANDRACEWAYCONTACTSTRESS，ANDALSOTHERELATIVESLIPPAGEANDKINETICSCURVEOFTRIBOLOGYKEYPARAMETERSARESTUDIEDTHESIMULATIONRESULTSAREPRACTICALLYCONSISTENTWITHTESTRESUHSREPORTEDBYSOMEBODYELSEPLASTICDEFORMATIONMAINTYOCCURSINTHEFIREWOINGCYCLE，ANDTHESUBSEQUENTCYCLICISNOTOBVIOUSDEFORMATIONOFRACEWAY娜INCREASEDANDWEARAREAWASREDUCEDONCONTACT2；ONEWITHTHEINCREASEOFTHERATIOOFCURVATURETHEMAXIMUMSTRESSWASNOTAPPEAREDINCONTACTLTFFACE，BUTITWASAPPEAREDINTHEDISTANCECONTACTUACEDEPTHINLMMKEYWORDSSLEWINGBEARING；RADIALFRETTING；FRETTINGWEAR；CONTACTSTRESS；RATIOOFCURVATURE1引言风力发电机组往往工作在气候恶劣的野外。工作过程中，风电转盘轴承特别是变桨轴承同时受到径向力、轴向力和倾覆力矩作用，而且轴承承受的冲击和振动比较大，摆动或交变、振动载荷将使变桨轴承的滚珠与滚道接触处产生微小的相对运动，当接触处的润滑油脂不能及时补充时，就容易产生微动磨损L1L。由于转盘轴承在实际使用过程中的损坏98来自滚道的损坏团，有必要对滚道的磨损机理进行探讨。至今，人们对微动磨损的研究己有八十多年的历史，研究成果也相当丰硕，提出了不少理论P1。对微动的研究主要以实验的方式进行，文献采用钢球平面试样进行有润滑油参与的切向微动试验；文献过实验对风电转盘轴承的微动磨损进行了研究，定性地通过实验来探究微动磨损的规律，从而应用到工程实际中；而从数值模拟的角度来研究分析微动磨损机理则很少，文献结合商用有限元软件，对磨损过程进行模拟仿真，将预测结果与实验结果进行了对比分析；文献对球一平板的径向微动磨损进行了数值模拟，为数值模拟研究微动磨损提供了参考依据。2分析研究的方法21计算目标以滚珠一滚道接触几何为研究对象，考虑实际工况下，在不同曲率半径比下，接触面的应力分布的差异。22风电变桨转盘轴承几何参数以某15MW转盘轴承为研究对象，其结构参数如下轴承外径D，2080MM，内径DO16573MM，滚道曲率中心直径D1900MM，滚珠直径D40MM，初始接触角AO45,滚道曲径半径21MM，滚道截面间隙辟旬，轴承厚H140MM，球数Z2X130。为了考虑滚道曲率半径对转盘轴承应力应变的影响，分析时引人参数滚道曲率比，如式1OT2RD1来稿日期20121010基金项目国家科技支撑计划2011BAF09B02作者简介钱锴，1988一，男，研究生，主要研究方向回转支承微动磨损机械设计与制造NO8AUG2013D3种曲率比Y方向的应力分布多项式拟合图9Y方向应力分布FIG9STRESSDISTRIBUTIONONTHEYDIRECTION三种曲率比下，如图9A一图9C所示。接触面中心线投影到水平面上Y方向的应力分布。表3给出了三种曲率比下最大接触应力到中心的距离，从图9D多项式拟合曲线可以看出，随着曲率比的增大，接触面上的最大应力处距离中心的长半轴长度越来越小，即磨损区域越来越小，有利于抑制微动磨损的扩展。表3最大接触应力到中心的距离TAB3MAXIMUMCONTACTSTRESSPOINTSTOTHECENTEROFTHECONTACTDISTANCE5结论通过有限元软件，建立了面面接触问题的有限元模型，在滚珠尺寸不变的情况下，利用此模型，在三种不同曲率情况下，对滚珠一滚道接触情况进行了分析，得到以下结论1滚道的塑性变形主要发生在第一次加载卸载过程中，后不明显。2随着滚珠滚道曲率比的增加，接触区域的径向变形随之增大，滚道发生的径向变形增加，意味着滚道的承载能力减小。3相同受力的情况下，滚道曲率比的变化对径向的最大应力基本没有影响。4滚道在5LKN外载荷的作用下发生了塑I生变形，最大应力发生在距离接触表面LMM的位置，与实际损伤睛况相符。5随着曲率比的增大，最大应力产生的位置距离接触中心越小，易于出现应力集中区，容易产生磨损。数值模拟分析中并未考虑加载速率对试验的影响，同时也忽略了接触面之间由于摩擦引起的能量耗散。这些处理某种程度上影响了模拟的精确性，若能在这些方面做出改进，对微动磨损的数值模拟将有更好的进展。参考文献1王思明，许明恒风力发电机转盘轴承微动磨损的试验研究J中国机械工程，2010，212O243O2433WANGSIMING，XUMINGHENGRESEARCHONFRETTINGWEAROFWINDTURBINESLEWINGBEARINGSJCHINAMECHANICALENGINEERING2010212O243024332侯宁影响转盘轴承承载能力的四个参数J建筑机械，200212122HOUNINGSLEWINGBEATINGLOADCAPACITYOFFOURIMPACTPARAMETERSJ1CONSTRUCTIONMACHINERY，2002121223刘全两类微动磨损的数值模拟研究D成都西南交通大学，2007LIUQUANRESEARCHONNUMERICALSIMULATIONOFTWOTYPESOFFRETTINGWEARLDCHENGDUSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITY，2007L4JKOLODZIEJCZYKT，TOSCANOR，FOUVRYS，ETA1ARTIFICIALINTELLIGENCEASEFFICIENTTECHNIQUEFORBALLBEARINGFRETTINGWEARDAMAGEPREDICTIONJWEAR，2010，26813093155王思明，文鉴恒，杜海若变桨轴承微动磨损分析与沟道参数确定JJ_轴承，20106912WANGSIMING，WENJIANHENGDUHAIROUFRETTINGWEARANALYSISOFWINDTURBINEPITCHBEARINGSANDDETERMINATIONOFRACEWAYPARAMETERSJBEARING，201069126JOHANSSONLNUMERICALSIMULATIONOFCONTACTPRESSUREEVOLUTIONINFRETTINGJJTRIBOL，1994116247254【7JDINGJ，LEENSB，MCCALLIRTHEEFFECTOFSLIPREGIMEONFRETTINGWEARINDUCEDSTRESSEVOLUTIONJINTJFATIGUE，2004265215318陈颖，张磊，陈舟径向微动磨损的数值模拟J科协论坛，20118979CHENYIN，ZHANGLEI，CHENZHOUNUMERICALSIMULATIONOFRADIALFRETTINGWEARJSCIENCETECHNOLOGYASSOEIATIPNFORUM，201189799上接第202页WANGJUNTHEFAULTTREEOFSINGLECENTRIFUGEANDTHEMETHODOFITSRELIABILITYINDEXINTERVALESTIMATIONDBEIJINCHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM，20075吴风凤我国核工业可靠性工作现状与思考J质量与可靠性，201L11924WUFENGFENGTHECURRENTSITUATIONANDTHINKINGFORRELIABILITYOFTHENUCLEARINDUSTRYINCHINAJQUALITYANDRELIABILITY，201LI192416王鹏，张贵新，朱小梅基于故障模式与后果分析及故障树法的电子式电流互感器可靠性分析J_电网技术，2006，30201520WANGPENG，ZHANGGUIXIN，ZHUXIAOMEIANALYSISONRELIABILITYOFELECTRONICCURRENTTRANSFORMERBASEDONFAILUREMODESANDEFFECTSANALYSISANDFAULTTREEANALYSISJPOWERSYSTEMTECHNOLOGY，2006，3020152O7王毅，吴长奇，胡双喜碟式分离机转鼓强度计算及其可靠性研究D浙江浙江工业大学，2003WANGYI，WUCHANGQI，HUSHUANGXITHESTRENGTHANDRELIABILITYANALYSISFORTHEDISCSEPARATORSDRUMDZHEJIANZHEJIANGUNIVERSITY20038吴欠欠，王直，董贺故障树分析法在船舶柴油机故障诊断中的应用研究J机械设计与制造，200917778WUQIANQIAN，WANGZHI，DONGHEFAULTTREEANALYSISANDITSAPPLICATIONTOMARINEDIESELFAULTANALYSISJMACHINERYDESIGNMANUFAETURE2009I7778L9JFUCENGFAULTTREEANALYSISFORASSESSINGTIANJINURBANGASPIPELINESFAULTIDD007LCJTHEPROCEEDINGSOFTHE14THINTERNATIONALCONFERENCEONINDUSTRIAL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