偏航轴承寿命及螺栓强度校核实例

墅 二 兰 ! C N4 11 1 4 8 T H 轴承2 0 1 O 年5 期 B e a r i n g2 0 1 0， N o 5 偏航轴承寿命及螺栓强度校核实例 宋吉祥 ， 郭绍鹏 ， 马新忠 ， 李立 ， 郭静瑜 ， 包建飞 ( 1 洛阳轴研科技股份有限公司， 河南 洛阳4 7 1 0 3 9 ； 2 常熟长城轴承有限公司， 江苏 常熟2 1 5 5 0 0 ) 摘要： 偏航轴承的寿命及螺栓强度是决定风力发电机偏航系统质量的两大关键参数， 通过实例详细介绍了基于 He r t z 弹性接触理论的偏航轴承寿命计算过程以及螺栓强度校核过程。 关键词： 偏航轴承； 四点接触球轴承； 寿命 ； 接触应力； 螺栓强度 中图分类号： T H1 3 3 3 3 1 ； T M 3 1 5 文献标志码： B 文章编号： 1 0 0 0 3 7 6 2 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 0 1 1 0 3 A Ch e c k i n g E x a mp l e o f Li f e a n d Bo l t s S t r e n g t h f o r Ya w Be a r i n g s S ON G J i x i a n g ，GU O S h a op e n g ，MA Xi nz h o n g ，L I l i ， G UO J i n gy u ，B AO J i a nf e i ( 1 L u o y a n g B e a ti n g S c i e n c eT e c h n o l o g y C o ， L t d ， L u o y a n g 4 7 1 0 3 9 ，C h i n a ； 2 C S C B e a ri n g C o ，L t d ， C h a n g s h u 2 1 5 5 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e y a w b e a rin g l i f e a n d b o l t s t r e n g t h a r e t w o c r i t i c a l p a r a me t e r s t o t h e q u a l i t y o f y a w s y s t e m f o r w i n d p o w e r g e n e r a t o r Th e bea r i n g l i f e c a l c u l a t i o n a n d b o l t s t r e n g t h c h e c k i n g b a s e d o n He r t z e l a s t i c c o n t a c t t h e o r y a r e i n t r o d u c e d wi t h a p r a c t i c al e x a mp l e Ke y wo r d s ：y a w bea r i n g ；f o u rp o i n t c o n t a c t b a l l b e a r i n g ；l i f e ；c o n t a c t s t r e s s ；b o l t s t r e n g t h 风力发电机偏航轴承是偏航系统的关键部 件， 安装于机舱底部， 承载着机舱的全部重量， 是 叶片处于合理迎风角度 的保证。其一般安装在数 十米甚至百米高的塔架上 ， 维修更换极其不便 ， 一 般均要求 2 0年 以上寿命 。偏航 轴承不仅承受较 大的轴向力 ， 而且承受很大 的倾覆力矩 ， 所 以其必 须具备足够的强度和承载能力 。 偏航轴承的内、 外圈分别通过螺栓与风机机 舱 、 塔架相连接 ， 其所承受 的轴向载荷及倾覆力矩 均通过螺栓传递给塔架。因此， 螺栓的强度至关 重要。下面通过实例介绍某 四点接触球轴承的偏 航轴承寿命和螺栓强度的校核。 1 工况条件 某型号偏航轴承的结构如 图 1所示。其工况 条件为： 径 向载荷 F = 9 5 4 k N， 轴向载荷 F = 4 0 0 k N， 倾覆力矩 M =4 1 0 k N m， 轴承转速 7 , =0 1 r m i n ， 轴向游隙为 一 0 0 3 0 0 5 m m； 轴承内齿模 数m= 1 4 ， 齿数z =1 5 4 ， 径向变位系数 =+ 0 5 ， 收稿1 3 期： 2 0 0 91 0 2 8 ； 修回日期： 2 0 1 0 0 3 0 9 精度为9 9 8 G K； b 圈安装孔 6 4一 M 2 4 ， 孔位置公差 0 5 m l l l ； 内圈安装孔 6 4一M 2 4， 孔位 置公 差 0 5 mm； 工作温度为 一3 0 5 0 ， 要求轴承能够承受 日照、 粉尘、 雨水浇淋。 A l A- A 图 1 四点接 触球轴承结构简图 2 轴承寿命及最大接触应力校核 轴承设计参数为： 内径 d= 2 1 4 2 3 4 4 m m； 外 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m L ， 所以轴承设计寿命满足使用要 求。 2 2 最大接触应力 额定载荷系数 为： 7 = Dw c o = -s = 。 。 l 2 。 内 沟 道主 曲 率和 函 数P ； 为： 麦 【4 一 1 A z _ 】 = 。 吲。 内沟道主曲率差函数 F ( p i ) 为： 1 2 _ + 蒜 91o 外沟 道主曲 率和 函 数p 。 为： 麦 【4 一 1 一 丁 2+T 0 0 5 t 。 外沟道主曲率差函数 F ( p 。 ) 为： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 宋吉祥等： 偏航轴承寿命及螺栓强度校核实例 一 L F( p 。 ) f e l+ Y- o _ 8 6 l 。 1 轴承的最大接触应力为： Or m a x= ( 5 ) He r t z 接触系数 由 F( p i ) 和 F( p 。 ) 查文献 2 的 H e r t z 接触系数表利用插值法求得： = 0 0 76 41， i 6=0 01 0 63， e 。 。=0 06 5 9， e 6=0 011 6 4。 式中： e ， e lb 为钢球与内圈的接触椭圆系数 ； e ， e 曲 为钢球与外圈的接触椭圆系数。 将相关参数值代人( 5 ) 式得： l i = 1 9 7 6 9 MP a， 2 i m 。 = 1 3 26 4 MPa， 1 。 一 =2 0 9 3 2 MP a， 2 。 =1 4 0 4 5 MP a 。 式 中： Or1 眦 t ， 2 i ， l 。 一 ， 2 。 一分别为主沟道 内圈、 辅沟道内圈、 主沟道外圈和辅沟道外圈的最大接 触应力 。综上 比较可得 ， 轴承的最 大接触应力在 主沟道外圈上。该轴承用 4 2 C r Mo钢 的最大许用 接触应力 一 = 3 8 5 G P a ， 轴承静载荷安全系数 ： ( ) ， ： 6 2 21 7 5 ， 轴承安全 。 3 螺栓 强度校核 螺栓材料选 用 4 5 钢 ， 调质后屈服极 限 = 6 4 0 M P a ， 对称循环疲劳极限 一 。 = 3 0 7 M P a 。 受载最大螺栓上工作载荷 P 为： P 一 = 一 _5 _ 0 1 8 k N0 式中： d 为内圈安装孔直径； n 为安装孔个数。 螺栓预紧力 P 为： P r = K , P L ( 1一 )= 7 5 2 7 k N。 式中： 为连接面紧密性安全系数 ， 取 = 2 ； 为 相对刚度系数 ， = 0 2 5 。 螺栓小径截面A 为： A1=3 3 8 2 2 mm 。 则 ， 螺栓预紧应力 为 ： y= =2 2 2 53 MPa。 应力 比值 ： 0 0 3 5 。 螺栓上最大许用计算载荷 P ； 为： Pj =Py+x PL =8 78 2 k N。 螺栓小径断面拉应力 。 为 ： P 1 25 9 6 MPa 。 预紧时螺纹上的摩擦力矩 帆 为 ： M。 0 1 2 P , a =2 1 6 7 7 7 6 N m。 式 中： d 为螺栓公称直径。 螺栓小径断面切应力 r 。 为 ： 丁 = =， 2 28 M 。 式 中： d 为螺栓小径。 螺栓承受拉扭组合力， 根据第四强度理论， 螺 纹根部的最大合成应力 h 为： = +3 r =3 3 3 9 4 MP a 。 塑性变形安全系数 1, 为： r I ： ： 1 9 1 6 51 2 ， 可用 。 D 1 8 螺栓所受的循环应力 。 为 ： _1 8 5 5 MPa 。 螺栓疲劳安全系数 n 。 为 ： = = 4 0 MP a 。 式中： 为螺栓螺纹部分对称循环疲劳极限； 为螺纹有效部分应力集中系数。 1 5 62， 所 以螺栓能够安全使用。 4 结束语 通过对