2MW风力发电机低速轴轴承寿命分析

206机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE第2期2014年2月2MW风力发电机低速轴轴承寿命分析毛俊超，郑甲红，马浩然陕西科技大学机电工程学院，陕西西安710021摘要轴承是支撑轴转动的重要部件，其使用寿命关系着整个机器的运行安全。依据某2MW风力机传动系统中低速轴为例，通过BLADED软件分析出的60S载荷图，根据疲劳损伤累积原理和雨流计数方法，绘制出风力机主轴载荷谱，并根据行星轮传动原理和理论力学等基本知识得出低速轴载荷谱。采用圆柱滚子轴承NUO000型为算例，由载荷谱计算出轴承寿命，选用一般轴承寿命计算和SKF轴承寿命公式计算两种方法分别计算。其结果表明轴承的寿命满足要求，并且可以用于一般轴承的寿命计算方法。为以后风力发电机研究和相关机械的设计提供理论依据。关键词风力发电机；载荷谱；轴承寿命计算；BLADED软件中图分类号TH16文献标识码A文章编号10013997201402020603LOWSPEEDSHAFTBEARINGLIFEANALYSISOFTHE2MWWINDTURBINEMAOJUNCHAO，ZHENGJIAHONG，MAHAORANINSTITUTEOFELECTRICALANDMECHANICALENGINEERING，SHAANXIUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，SHAANXIXIALL710021CHINAABSTRACTBEARINGSAREIMPORTANTPARTSOFTHESUPPORTSHROTATION，ANDITSSERVICEZISRELATEDTOTHEOPERATIONOFTHEENTIREMACHINEWITHHELOWSPEEDSHOFA2MWWINDTURBINEDRIVESTEMEXAMPLE，THROUGHBLADEDSOFTWAREANALYSISOF60SECONDSLOADDIAGRAM，ACCORDINGTOTHEFATIGUEDAMAGECUMULATIVEPRINCIPLEANDRAINFLOWCOUNTINGMETHOD，ITDRAWSOUTTHEWINDMACHINESPINDLELOADSPECTRUM，ANDINACCORDANCEWITHTHEBASICKNOWLEDGEOFTHEPRINCIPLESOFPLANETARYWHEELDRIVEANDTHEORIESMECHANICSITCOMESTOTHELOWSPEEDSHAFTLOADSPECTRUMHMAKESTHECYLINDRICALROLLERBEARINGSNU0000STYLEASANEXAMPLE，ACCORDINGTOTHELOADSPECTRUMTOCALCULATEBEARINGLIFE，ANDSELECTIONOFTHEGENERALBEARINGLIFECALCULATIONANDSKFBEARINGLIFEFORMULACALCULATIONMETHODWERECALCULATEDTHERESULTSSHOWTHATTHELIFEOFTHEBEARINGMEETSTHEREQUIREMENTS，ANDGENERALBEARINGLIFECALCULATIONMETHODC帆BEUSED，ANDPROVIDEATHEORETICALBASISFORMWINDTURBINERESEARCHANDRELATEDMECHANICALDESIGNKEYWORDSWINDTURBINES；LOADSPECTRUM；BEARINGLIFECALCULATION；BLADEDSOFTWARE1引言风力发电机在世界迅速发展，中国的风电事业也不甘落后，经过十多年的发展已成为风电大国，但其关键技术还完善。比如5MW以上的大型风力机；直径LO0M以上的叶片制造；先进的控制系统等都是我国风电的软肋LLI。轴承作为其支撑各轴正常工作的重要零件已成为风力机失效、损坏的因素之一。因此，对轴承进行寿命计算有利于分析其使用时间以便查验，减少不必要的损失。2风力发电机低速轴轴承载荷谱21PALMGTENMINER累计损伤准则疲劳载荷是造成轮毂材料累计损伤的循环载荷，一般视风力机承受规律性的不稳定变应力。其中，OR作用了N次，作用了N次，以此类推。把应力图添加在材料疲劳曲线，那么相应的每段循环一次损伤率为1，N次循环的损伤率为N。若最大应力小于材料持久疲劳极限应力，则可以作用无限次循环，即不超过材料永久疲劳极限的应力不发生疲劳损伤，所以在用寿命公式进行计算时就可以不计算此部分。当损伤率达到一定程度时一般为100，材料即发生疲劳损坏，用公式表示为NI1。L22雨流计数法简述在雨流计数法中，把时间轴设为垂直轴，应力轴设为水平轴。把风力机随时间变化的载荷看作为峰值或谷值，雨流计数法的基本原理口，如图1所示。具体计数方法如第一个雨流自2点处第一个谷的内侧流下，从2点落至3N后流至4，然后下落。第二个雨流从峰2点内侧流至3点落下，由于2点的峰值低于4点的峰值，故停止。第三个雨流自谷2点的内侧流到3，自3点落下至3A，流到3A处碰上上面屋顶流下的雨流而停止。因此，我们可以得到这些计数来稿日期20130809基金项目陕西省自然科学基金项目2010JM7017作者简介毛俊超，1987一，男，陕西汉中人，硕士，在读硕士研究生，主要研究方向机械传动系统郑甲红，1963一，男，陕西西安人，硕士，教授，主要研究方向机械传动系统堕堕一233盾、块一一A，456，7880等，一。命达到极限状态时，应有1若假设在，尸2，下轴承运转H小时后，低速轴轴承寿命达到极限，则直到轴承失效的实际循环次数N【Q。将轴承所受所有载荷循环次数记则LQ1HNZQFLNQNLQLN胡R2NSQ日NJT1式中N一计算转速，NNGNNQ，其值相近似于平均转速。如果用载荷来代替轴承所有承受的载荷，且在次后，轴图1雨流计数法原理图FIG1PRINCIPLEOFRAINFLOWCOUNTI”GMETHOD23低速轴圆柱滚子轴承载荷谱根据BLADE软件分析出的风力机轮毂处60S转矩图，计算出每种不同雨流的循环次数，然后根据总工作时间可得出风力机主轴载荷谱。齿轮箱采用2KH型行星传动和2级定轴传动，则风力机主轴转矩和齿轮箱中低速轴即行星转动中的中心轮轴转矩成比列关系，根据生产商给出的行星轮具体参数和此类行星传动的转矩关系，可得低速轴的转矩。根据NU0000型轴承在轴上的安装部位和力学知识，可得出此轴承受力载荷谱，如图2载苛循环次数图2NU000型轴承载荷谱FIG2NU0000STYLEBEARINGSLOADSPECTNLM3传统轴承寿命计算方法对于传统的寿命计算方法来说，由于风力机工作载荷和转速都是在频繁地改变。此时，应根据不稳定变应力时的疲劳损伤累计理论求出轴承的计算载荷及计算转速,61，然后利用如下公式计算正寺J。式中一轴承计算寿命；PM一计算载荷；一额定动载荷；寿命指数，此滚子轴承取103。由于轴承的载荷寿命曲线公式，J可以写成LIO。轴承在变化载荷，P下工作，此时轴的相应转速记作，轴承在相应的运行状况下所占总时间的比为G，Q，G。那么，可以根据下面的方法推导出P和N的计算公式。用ZI和Z表示轴承在作用下实际的载荷循环次数及达到极限值时所须得的载荷循环次数，根据疲劳累积损伤理论，在寿一6一OJPAGMA60O6标准指出轴承寿命计算必须结合轴承的载荷谱I荭行。SKF计算公式就是结合载荷谱在此基础上的一种计算方法，其公式为AC2，式中。轴承计算寿命；。、，J。相应工作状况U。、等阶段的各自寿命，且满足。1；U、一轴承承受载荷对应的不同循环时间占总数的比例，即。循环次数；一总的循环次数；一轴承承受载对应的不同循环时间占总数的比例；代入UI、三。、，J。，化简得拟35具体算例在风力发电机工作中其传动效率一般在9799之间，因此不考虑功率损失，则输出功率保持2MW，则可以根据下面公式算出中心轮的转速TO9549PNNO9549PT其中一中心轮转矩；NR一中心轮转速；P输出总功率；又由于NU0000型滚子轴承只受径向力，则得到变载荷当量动载荷户F。则根据上面数据算出在低速轴上不定转速结果，如表1所示。表1低速轴变化转速TAB1THEVARIATIONALSPEEDOFLOWSPEEDSHAFT由生产轴承数据可知，轴承的额定动载荷E为1200KNM。取103。一般风力机工作20年则轴承总共运转次数为20365X24X60X2021E8。则由以上数据可计算出208机械设计与制造NO2FEB2014QRTLQLN2Q2ARTQNLL2122720_74A88RMIN21XL021XL0QPIRTLQ1JPLRT2Q2PANQ72XL_5074_，47A114E1015XLO15XLO。则由轴承寿命的传统算法可以计算出60N10C33148H4则由SKF轴承寿命计算方法计算出CA一258766H5以上用两种方法分别算出了轴承的使用寿命，其结果差距不大，可以作为设计制造时的精确数据。6结论通过疲劳损伤累积原则和雨流计数方法原理绘制出齿轮箱中低速轴上NUO000型轴承的载荷谱，对其使用寿命进行了具体准确计算。得出以下结论1阐述了根据BLADED软件分析得出的轮毂主轴处转矩随时间变化的图谱，结合劳损伤累积原则和雨流计数法原理，绘制出齿轮箱中低速轴上NUO000型轴承的载荷谱，计算出准确使用寿命。其方法切实可行，可以作为计算机器零部件寿命的一般方案。2分别采用传统寿命计算方法和SKF寿命公式计算法对低速轴上NUO000型轴承寿命进行计算，分别为233148H和258766H，得出具体结果，满足风力发电机在20年内轴承正常运转，为风力机的研究和设计提供了理论支撑。参考文献1李俊峰，蔡丰波，唐文倩中国风电发展报告M北京中国环境科学出版社，2011LIJUNFENG，CAIFENGBO，TANGWENQIANCHINAWINDPOWERDEVELOPMENTREPORTMBEIJINGCHINAENVIRONMENTSCIENCEPRESS，20112赵晓鹏，姜丁雨流计数法在整车载荷谱分析中的应用J科技导报，2009，2736773ZHAOXIAOPENG，JIANGDINGAPPLICATIONOFRAINFLOWCOUNTINGMETHODINTHEANALYSISOFLOADSPECTRUMJSCIENCETECHNOLOGYREVIEW，2009，27367733李德源，叶全枝，陈严风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析JL工程力学，2004，216L18123LIDEYUAN，YEQUANZHI，CHENYANLOADSPECTRUMANDFATIGUELIFEANALYSISOFTHEBLADEOFTHEHORIZONTALAXISWINDTURBINEJENGINEERINGMECHANICS2004，2161181234王德俊，平安，徐灏疲劳载荷谱编制准则J_机械强度，1994，1543740WANGDEJUN，PINGAN，XUHAOCRITERIAOFCONSTRUCTINGFATIGUELOADSPECTRUMJJOURNALOFMECHANICALSTRENGTH，1994，15437405韩晓娟不同条件下滚动轴承寿命的分析计算方法J1机械设计与制造，200593132HANXIAOJUANAVARIETYOFBEARINGLIFECALCULATIONMETHODSATDIFFERENTOPERATIONCONDITIONSJMACHINERYDESIGNMANUFACTURE，2005931326韩晓娟按转矩转速分析计算滚动轴承的寿命J】_机械设计与制造，1996，118626HANXIAOJUANACCORDINGTOTHETORQUESPEEDANALYSISANDCALCULATIONOFROLLINGBEARINGLIFEJMACHINERYDESIGNMANUFACTURE，1996，1186267JSKFGROUPSKFGENERALCATALOGUE，20038GBT63912003滚动轴承额定动载荷和额定寿命IS北京中国标7伟出版社，2004GBT63912003DYNAMICLOADRATINGANDRATINGLIFEOFROLLINGBEARINGSSBEIJINGCHINASTANDARDSPRESS，2004上接第205页2从钣金件刚度分布上看，由各阶振型图可知，钣金件用于连接的条形孔处的变形较大，在3406HZ特别是63282HZ处两侧边存在跳边变形，振动趋势较明显，会影响被连接部件的法向位移，建议改进肋板位置和结构提高此处的刚度。3从钣金件实测振动频率上看，其一阶固有频率L3125HZ，高于外部激振频率，因此不会产生共振现象，有着较好的动力学特性。参考文献1蔡力钢，马仕明，赵永胜重载摆角铣头模态分析与实验研究EJ振动与冲击，2011，307250255CAILIGANG，MASHIMING，ZHAOYONGSHENGMODALANALYSISANDEXPERIMENTALRESEARCHONHEAVYLOADANGULARLYDEFLECTINGMILLINGHEADJ】_JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK，2011，3072502552KROMULSKIJ，HOJANEANAPPLICATIONOFTWOEXPERIMENTALMODALANALYSISMETHODSFORTHEDETERMINATIONOFOPERATIONALDEFLECTIONSHAPESJJOURNALOFSOUNDANDVIBRATION，1996，19644294383MASSAF，TISONT，LALLEMANDBFUZZYMODALANALYSISPREDICTIONOFEXPERIMENTALBEHAVI0RSJJJOURNALOFSOUNDANDVIBRATION，2009322】35154、L4JYINGHUAIQIAO，LIUJINMING，AOQINGBO，ETA1SMALLROCKETSEXCITINGQIANTANGGREATBRIDGEFORMODALANALYSISCJ17THIMAC，199915JPINTELONAR，GUILLAUMEBP，SCHOUKENSJUNCERTAINTYCALCULATIONINOPERATIONA1MODALANALYSI