2MW风力发电机低速轴轴承寿命分析.pdf

2 0 6 机 械 设计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 2期 2 0 1 4年 2月 2 M W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7 1 0 0 2 1 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2 M W 风力机传动系统中低速轴 为例 通过 B L A D E D软件分析出的6 0 s 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 N U O 0 0 0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S K F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 B L AD E D软件 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 2 0 2 0 6 0 3 L o w Sp e e d Sh a f t Be a r i n g L i f e An a l y s i s o f t h e 2 MW W i n d Tu r b i n e MAO J u n c h a o Z HE NG J i a h o n g MA Ha o r a n I n s t i t u t e o f E l e c t r i c a l a n d M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S h a a n x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a a n x i X i a l l 7 1 0 0 2 1 C h i n a A b s t r a c t B e a r i n g s a r e i m p o r t a n t p a r t s o ft h e s u p p o r t s h r o t a t i o n a n d i t s s e r v i c e z i s r e l at e d t o t h e o p e r at i o n oft h e e n t i r e m a c h i n e Wi t h h e l o w s p e e d s h ofa 2 MW w i n d t u r b i n e d r i v e s t e m e x a m p l e t h r o u g h B L A D E D s o f t w a r e a n a l y s i s of 6 0 s e c o n d s l o a d d i a g r a m a c c o r d i n g t o t h e f ati g u e d a m a g e c u m u l a t iv e p r i n c ip l e a n d r a i n flo w c o u n t i n g me t h o d i t d r a w s o u t t h e w i n d m ach i n e s p i n d l e l o ad s p e c t r u m a n d i n acc o r d anc e w i t h t h e b a s i c k n o w l e d g e of t h e p r i n c i p l e s ofp l ane t ar y w h e e l d r i v e and t h e o r i e s m e c h a n i c s i t c o me s t o t h e l o w s p e e d s h a f t l o ad s p e c t r u m h m a k e s t h e c y l i n d r i c al r o l l e r b e ari n g s N U 0 0 0 0 s t y l e as an e x amp l e acc o r d i n g t o t h e l o ad s p e c t r u m t o c al c u l at e b e a r i n g l if e a n d s e l e c t i o n o f t h e g e n e r a l b e a r i n g l if e c a l c u l at i o n a n d S K F b e ari n g l if e f o r m u l a c al c u l a t i o n m e t h o d w e r e c al c u l at e d T h e r e s u l t s s h o w t h at t h e l if e of t h e b e a r i n g m e e t s t h e r e q u i r e men t s a n d g e n e r a l b e ari n g l if e c a l c u l ati o n m e t h o d c 帆 b e u s e d a n d p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b asi s f o r M w i n d t u r b i n e r e s e a r c h a n d r e l ate d me c h an i c a l d e s ig n Ke y Wo r d s W i n d Tu r b i n e s Lo a d S p e c t r u m Be a r i n g Li f e Ca l c u l a t i o n Bl a d e d S o f t wa r e 1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 5 MW 以上的大型风力机 直径 l O 0 m以上的叶片制造 先进的控 制系统等都是我国风电的软肋ll I 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 2 1 P a l mg t e n Mi n e r 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 1 0 0 材料即发生疲劳损坏 用公式表示为 N i 1 l 2 2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 3 n 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 3 a 流到 3 a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 2 0 1 3 0 8 0 9 基金项 目 陕西省 自然科学基金项 目 2 0 1 0 J M7 0 1 7 作者简介 毛俊超 1 9 8 7 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 1 9 6 3 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 2 3 3 盾 块 一 一a 4 5 6 7 8 8 0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 lq 1H n zq fl n q n l q l n 胡 r 2 n sq 日 n j t 1 式中 n 一计算转速 n n g n n q 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 F i g 1 pr i n c i p l e o f Ra i n Fl o w Co u n t i g Me t h o d 2 3低速轴圆柱滚子轴承载荷谱 根据 B L A D E软件分析出的风力机轮毂处 6 0 s 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 2 K H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 N U 0 0 0 0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2 N U 0 0 0 型轴承载荷谱 Fi g 2 NU0 0 0 0 S t y l e B e a r i n g s Lo a d S p e c t nl m 3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 6 1 然后利用如 下 公 式 计 算 正 寺J 式中 一轴承计算寿命 P m 一计算载荷 一额定动载荷 寿 命指数 此滚子轴承取 1 0 3 由于轴承的载荷 寿命曲线公 式 J 可以 写 成L io 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 Z i 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 o J p A G M A 6 0 O 6 标准指出轴承寿命计算必须结合轴承的载荷谱 i 荭 行 s K F 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 A c2 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 U i 三 J 化简得 拟 3 5具体算例 在风力发电机工作中其传动效率一般在 9 7 9 9 之间 因 此不考虑功率损失 则输出功率保持 2 MW 则可以根据下面公式 算出中心轮的转速 T o 95 49 P n n o 9 5 4 9 P T 其中 一中心轮转矩 n r 一中心轮转速 P 输出总功率 又由于 N U 0 0 0 0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 Ta b 1 Th e V ar i a t i o n a l Sp e e d o f L o w Sp e e d Sh a ft 由生产轴承数据可知 轴承的额定动载荷 e为 1 2 0 0 k N m 取 1 0 3 一般风力机工作 2 0年则轴承总共运转次数为 2 0 3 6 5 x 2 4 x 6 0 x 2 0 2 1 e 8 则由以上数据可计算出 2 0 8 机械 设 计 与制造 No 2 Fe b 2 01 4 q rt l q l n 2 q 2 A r t q n l l 2 1 2 2 7 2 0 7 4 A 8 8 r m i n 2 1 xl 0 2 1 xl 0 q P i rt lq 1 Jp l rt2 q 2 P A n q 7 2 x l 5 0 7 4 4 7 A 1 1 4 e 1 0 1 5 xl O 1 5xl O 则由轴承寿命的传统算法可以计算出 6 0 n1 0 c 3 3 1 4 8 h 4 则由S K F轴承寿命计算方法计算出 C A 一 2 5 8 7 6 6 h 5 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 N U O 0 0 0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 B L A D E D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 N U O 0 0 0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S K F寿 命公式计算法对低速轴上 N U O 0 0 0型轴承寿命进行计算 分别为 2 3 3 1 4 8 h 和2 5 8 7 6 6 h 得出具体结果 满足风力发电机在2 0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 2 0 1 1 L i J u n f e n g C a i F e n g b o T a n g We n q i a n C h i n a Wi n d P o w e r D e v e l o p me n t R e p o rt M B e i j i n g C h i n a E n v i r o n m e n t S c i e n c e P r e s s 2 0 11 2 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 2 0 0 9 2 7 3 6 7 7 3 Z h a o X i a o p e n g J i a n g D i n g A p p l i c a t i o n o f r a i n fl o w c o u n t i n g me t h o d i n t h e a n a l y s i s o f L o a d s p e c t r u m J S c i e n c e T e c h n o l o g y R e v i e w 2 0 0 9 2 7 3 6 7 7 3 3 李德源 叶全枝 陈严风 力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析 J l 工程力 学 2 0 0 4 2 1 6 l 1 8 1 2 3 L i D e y u a n Y e Q u a n z h i C h e n Y a n L o a d s p e c t r u m a n d F a t i g u e l i f e a n a l y s i s o f t h e b l a d e o f t h e h o r i z o n t a l a x i s w i n d t u r b i n e J E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s 2 0 0 4 2 1 6 1 1 8 1 2 3 4 王德俊 平安 徐灏 疲劳载荷谱编制准则 J 机械强度 1 9 9 4 1 5 4 3 7 4 0 Wa n g D e j u n P i n g An X u H a o C r i t e r i a o f c o n s t ruc t i n g f a t i g u e l o a d s p e c t r u m J J o u r n a l o f Me c h a n i c a l S t r e n g t h 1 9 9 4 1 5 4 3 7 4 0 5 韩晓娟 不同条件下滚动轴承寿命的分析计算方法 J 1 机械设计与制 造 2 0 0 5 9 3 1 3 2 Ha n X i a o j u a n A v a r i e t y o f b e a r i n g l i f e c a l c u l a t i o n m e t h o d s a t d i f f e r e n t o p e r a t i o n c o n d i t i o n s J Ma c h i n e r yD e s i g n Ma n u f a c t u r e 2 0 0 5 9 3 1 3 2 6 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 1 9 9 6 1 1 8 6 2 6 Ha n X i a o j u a n A c c o r d i n g t o t h e t o r q u e s p e e d a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n o f r o l l i n g b e a r i n g l i f e J Ma c h i n e ryD e s i g n Ma n u f a c t u r e 1 9 9 6 1 1 8 6 2 6 7 J S K FG r o u p S K FG e n e r a l C a t a l o g u e 2 0 0 3 8 G B T 6 3 9 1 2 0 0 3 滚动轴承额定动载荷和额定寿命I s 北京 中国标7伟 出版社 2 0 0 4 GB T6 3 91 2 0 0 3 Dy n a mi c Lo a d Ra t i n g a n d Ra t i n g Li f e o f Ro l l i n g B e a r i n g s S B e i j i n g C h i n a S t a n d a r d s P r e s s 2 0 0 4 上接 第 2 0 5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 3 4 0 6 H z 特别是 6 3 2 8 2 H z 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l 3 1 2 5 H z 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E J 振动 与冲击 2 0 1 1 3 0 7 2 5 0 2 5 5 C a i L i g a n g M a S h i m i n g Z h a o Y o n g s h e n g M o d a l a n a l y s i s a n d e x p e rime n t a l r e s e a r c h o n h e a v y l o a d a n g ul a r l y d e fle c t i n g mi l l i n g h e a d J J o u r n a l o f Vi b r a t i o n a n d S h o c k 2 0 1 1 3 0 7 2 5 0 2 5 5 2 K r o mu l s k i J Ho j a n E A n a p p l i c a t i o n o f t w o e x p e ri me n t a l mo d a l a n a l y s i s me t h o d s f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f o p e r a t i o n a l d e fl e c t i o n s h a p e s J J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n 1 9 9 6 1 9 6 4 4 2 9 4 3 8 3 M a s s a F T i s o n T L a l l e m a n d B F u z z y m o d a l a n a l y s i s p r e d i c t i o n o f e x p e r i me n t a l b e h a v i 0 r s J j J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n 2 0 0 9 3 2 2 3 5 1 5 4 l 4 J Y i n g H u a i q i a o L i u J i n m i n g A o Q i n g b o e t a 1 S ma l l r o c k e t s e x c i t i n g Q i a n T a n g g r e a t b r i d g e for m o d a l a n a l y s i s C J 1 7 t h I MAC 1 9 9 9 1 5 j P i n t e l o n a R G u i l l a u me b P S c h o u k e n s J U n c e r t a i n t y c a l c u l a t i o n i n o p e r a t i o n a1 mo d a l a n a l y s i s l J J Me c h a n i c a l S y s t e m s a n d S i g n a l P r o c e s s i n g 2 0 0 7 2 1 2 3 5 9 2 3 7 3 6 巨丽 李永堂 对击式液压锤理论 与试验模态分析 J 机械丁程学报 2 0 0 9 4 5 1 2 7 3 2 8 1 J u