MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承壽命分析_圖文

1、 基金項目:重慶市科技攻關(guān)計劃項目 (CSCT2007AB3052。第 26卷 第 8期 2010年 8月電網(wǎng)與清潔能源Power System and Clean EnergyVol.26No.8Aug. 2010文章編號:1674-3814(2010 08-0050-03中圖分類號:TH136文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AMW 級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承壽命分析石秉楠 1, 袁帶英 2, 劉衛(wèi) 3(1.東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽 618000; 2. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程系 , 四川 德陽 618000;3. 機(jī)械傳動國家重點實驗室,重慶大學(xué), 重慶 400030 Analysis on

2、the Working Life of Main Bearing of MW Grade Wind TurbinesSHI Bing-nan 1, YUAN Dai-ying 2, LIU Wei 3(1.Dongfang Turbine Co., Ltd., Deyang 618000, Sichuan Province, China;2.Department of Traffic and Municipal Engineering, Sichuan College of Architectural Technology, Deyang 618000, Sichuan Province, C

3、hina;3. The State Key Laboratory of Mechanical Transmission of Chongqing University, Chongqing 400030, China ABSTRACT :By means of Romax software, five types of the main shaft bearing of the wind turbines with basic drive chains were analyzed in terms of working life using non-Failure Rate as an ind

4、icator, and the reliability of the main shaft bearing was also quantitatively analyzed. The results show that the type drive chain structure has better load distribution characteristics and the highest reliability, indicating that the drive chain structure has a larger impact on the reliability of t

5、he main bearing. KEY WORDS :wind turbines; main bearing; working life of bearing摘要 :以未失效率作為評價指標(biāo), 運用 Romax 軟件對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本型傳動鏈的 5種結(jié)構(gòu)形式的主軸軸承進(jìn)行了壽命分 析, 定量分析了主軸軸承的可靠性 。 分析結(jié)果表明, 型傳動 鏈結(jié)構(gòu)形式的載荷分配特性較好 、 主軸軸承可靠性最高 。 說 明了傳動鏈的結(jié)構(gòu)形式對主軸軸承的可靠性影響較大 。關(guān)鍵詞 :風(fēng)力發(fā)電機(jī)組; 主軸軸承; 軸承壽命0引言風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承由于承受扭矩 、 轉(zhuǎn)速波動范圍大, 傳輸載荷容易突變, 就要求其有較高的

6、承 載能力和傳動平衡精度 。 另外, 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作環(huán) 境極為惡劣, 維護(hù)保養(yǎng)困難, 軸承不但要耐受強(qiáng)烈的 風(fēng)沙和各種腐蝕, 還要承受較大的溫差 。 因此, 對風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組軸承的壽命研究,就成為當(dāng)前風(fēng)電界的 難點和重點 。 不同的傳動鏈類型,主軸軸承所承受的載荷也不同, 壽命也不同, 目前 MW 級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈 的主要類型有:基本型 、 直驅(qū)型 、 Single_PM型 、 Multi_PM型 、 Multi_induction型 、 集成式基本型等 1,每一種類型又有很多種形式 。國際上大多為基本型 。 本文就基本型 5種結(jié)構(gòu)形式, 根據(jù)滾動軸承額定動載荷 、疲勞壽命的理論和標(biāo)準(zhǔn)

7、2-5, 運用 Romax 風(fēng)能軟件 進(jìn)行分析, 綜合考慮重力 、 組裝 、 制造公差和結(jié)構(gòu)變 形等因素, 從而實現(xiàn)對主軸軸承壽命的評估 。1軸承壽命的威布爾分布大量的軸承壽命試驗數(shù)據(jù)證明,滾動軸承的疲 勞壽命是相當(dāng)離散的,在加工條件和使用條件相同 的情況下, 其壽命相差很大, 其離散的疲勞壽命符合 一定的規(guī)律, 如圖 1所示 。圖 1軸承疲勞壽命的一般規(guī)律圖 1可看做是指數(shù)曲線, 用下式表示第 26卷 第 8期 電網(wǎng)與清潔能源 lg 1=A L e s (1在公式兩邊取對數(shù), 則可得lglg 1=elg L s +lgA (2式中, S 為使用概率,即達(dá)到或超過 L s 壽命的軸承相對數(shù)量;

8、 L s 表示與 S 相對應(yīng)的軸承壽命; e 為威布爾分布斜率, 一般對球軸承取 10/9, 對滾子軸承取 9/8; A 為常數(shù); 上式稱為滾動軸承疲勞壽命的威布爾分布 5。2滾動軸承額定動載荷與壽命2.1滾動軸承額定動載荷滾動軸承的基本額定動載荷是在一定的運轉(zhuǎn)條件下確定的, 在進(jìn)行軸承壽命計算時, 必須把實際載荷轉(zhuǎn)換為與確定基本額定動載荷的載荷條件相一致的當(dāng)量動載荷, 用字母 P 表示 。 對于以承受徑向載荷為主的軸承, 稱為徑向當(dāng)量動載荷, 常用 P r 表示, 對于以承受軸向載荷為主的軸承,稱為軸向當(dāng)量動載荷, 常用 P a 表示 。 當(dāng)量動載荷 P 的一般計算公式為P=XFr +YFa

9、 (3式中, X , Y 分別為徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù), 其值可以查軸承手冊 。 實際上, 在許多支承中還會出現(xiàn)一些附加載荷, 如沖擊力 、 不平衡作用力 、 慣性力以及軸撓曲或軸承座變形產(chǎn)生的附加力等, 為了考慮這些影響, 可對當(dāng)量動載荷進(jìn)行經(jīng)驗修正, 故實際計算時, 軸承的當(dāng)量動載荷應(yīng)為P=fP (XF r +YFa (4式中, f p 為載荷系數(shù) 。2.2基本額定壽命軸承的基本額定壽命按式 (5計算L h10=106(C (5式中, L h10指失效概率為 10%的基本額定壽命, h ; n 為轉(zhuǎn)速, r/min; C 為軸承的基本額定動載荷, N ; P 由設(shè)計載荷確定的軸承當(dāng)

10、量動載荷, N ; E 是壽命指數(shù), 對球軸承為 3.0, 對滾子軸承為 10/3。 有載荷譜時, 軸承的當(dāng)量動載荷應(yīng)為平均當(dāng)量動載荷, 并按式 (6計算 。P m =(1N乙 P d N 1(6式中, P m 為平均當(dāng)量動載荷, N ; N 為總循環(huán)次數(shù) 。 當(dāng) 無典型載荷譜時,軸承平均當(dāng)量動載荷根據(jù)額定載 荷的 60%P 60疊加 ±30%的正弦交變分量進(jìn)行計算 6。P =0.68P m ax +0.32P m in (7 式中, P m ax =1.3P 60; P m in =0.7P 60。 另外,對于向心軸承 (公稱接觸角 45 , P 取純徑向載荷,對于推力軸 承 (&

11、gt;45 , P 取純徑向載荷 。 當(dāng)同時承受徑向載荷和 軸向載荷時,要將其換算成純徑向載荷(如為向心軸 承 或純軸向軸承 (如為推力軸承 后進(jìn)行壽命計算 。 我 們把它稱為當(dāng)量動載荷 。2.3修正額定壽命由于軸承鋼純凈度的提高以及加工方法 、 潤滑 劑 、 潤滑方法等技術(shù)的進(jìn)步, 呈現(xiàn)長壽命的軸承不斷 增加 。 于是在 1990年, 對 ISO 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修正, 對以往 的 C 乘以一額定系數(shù) b m 1,即以 C ×b m 作為新的基本 額定動載荷 。 給出了修正額定壽命的計算式 7, 即 L na =a 1×a 2×a 3×L 10(8 式中,

12、a 1為可靠度壽命修正系數(shù); a 2為軸承性能壽命 修正系數(shù) 。 1 a 2 3; a 3為運轉(zhuǎn)條件壽命修正系數(shù), 根 據(jù)潤滑的優(yōu)劣, 取 >1或者 <1的值 。 軸承所表現(xiàn)出來 的復(fù)雜特性對主軸的支承邊界條件有一定的影響, 此種分析方案的典型代表是商業(yè)軟件 Romax 及其所 參考的各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 如 DIN/ISO281等 8。3基本型傳動鏈主軸軸承壽命分析3.1傳動鏈建模在 Romax 軟件中,根據(jù)零部件相關(guān)尺寸建立基 本型 5種結(jié)構(gòu)形式的傳動鏈模型, 如圖 2所示 。 型傳動鏈模型型傳動鏈模型 型傳動鏈模型 型傳動鏈模型 圖 25種傳動鏈結(jié)構(gòu)形式 型傳動鏈模型 513.2計算

13、分析過程1 主軸材料特性 。 主軸的材料特性為屈服極限s =590MPa ;抗拉強(qiáng)度 b =780MPa ;彈性模量:E =2.06e5MPa ;泊松比:=0.3; 密度:=7.8e-9T/mm3。 2邊界條件 。 風(fēng)輪重力為 29.068T , 故在主軸法 蘭處加載集中力 2.85e5N , 集中力矩為 3.16e5N ·m 。 3 軸承使用型號 。 5種結(jié)構(gòu)形式的傳動鏈所使 用的軸承參數(shù)如表 1所示 。3.3軸承壽命結(jié)果軸承損傷 (軸承工況壽命 /軸承預(yù)測壽命 =損傷值 8, 通過 Romax 計算, 得出各個軸承的 ISO281修正 壽命結(jié)果如表 2所示 。表 2軸承壽命結(jié)果類

14、型 壽命2.84E52.66E52.65E54.02E61.50E54軸承未失效率的可靠性分析機(jī)械傳動系統(tǒng)的可靠性模型可分為串聯(lián)系統(tǒng)可靠度 、 并聯(lián)系統(tǒng)可靠度 、 混聯(lián)系統(tǒng)可靠度 、 K/N系統(tǒng) 可靠度等 9, 風(fēng)電機(jī)組主軸軸承的可靠性分析屬于 串聯(lián)系統(tǒng)可靠度模型 。根據(jù) GL 規(guī)范, 風(fēng)電機(jī)組可靠運行時間必須超過 20h , 代入 L s =20×365×24=175200h , S 一般取 0.9, 根 據(jù)式 (1可以得到 20a 軸承未失效率, 基于 20a 軸承 未失效率的可靠性測評值如表 3所示 。5結(jié)論本文從定量的角度對 5種傳動鏈主軸軸承進(jìn)行 了壽命分析, 結(jié)

15、果表明, 傳動鏈的結(jié)構(gòu)形式對主軸軸 承的可靠性影響很大, 型傳動鏈由于載荷分配特 性比較好, 其可靠性最高 。 同時, 運用威布爾分布公 式得到 20a 基本型 5種結(jié)構(gòu)形式主軸軸承的未失效 率,并以未失效率為數(shù)據(jù)量化了風(fēng)電機(jī)組主軸軸承的可靠性 。 為風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組傳動鏈的設(shè)計提供了參 考依據(jù) 。參考文獻(xiàn)1Poore R , Lettenmaier T . Alternative Design Study Report :WindPACT Advanced Wind Turbine Drive Train Designs StudyR. America :National Renewable E

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