局部结构改变对偏航轴承结构强度的影响

王伟，陈捷，高学海

(南京工业大学 机电一体化研究所，南京 210009)

风电转盘轴承是风力发电机的重要部件，偏航轴承位于风力发电机的座舱底部，承载着风机的全部重量，其作用在于及时调整风力发电机的迎风角度。由于其安装的位置不易拆卸，拆卸费用较高，所以对其综合性能有很高的要求，一般要求其应有20年以上的使用寿命。因此，开发一种内置传感器的偏航轴承，可以监测轴承运行过程中各种实时信息的变化，及时掌握轴承的运行状态，最大程度地延长转盘轴承的寿命，降低维护成本。目前，带有集成传感器的轴承技术在国外已经有了迅速的发展，如FAG，SKF等国际知名的轴承制造公司，都开发出集成有特殊功能传感器的轴承单元，广泛地应用于汽车、工程机械、风力发电等重要领域[1]。下文将重点研究传感器在偏航轴承中的置入位置及其置入位置结构改变对偏航轴承局部应力分布和强度的影响。

1 传感器安装位置的确定

1.1 传感器安装方式

在偏航轴承中嵌入了轴向、径向位移传感器和温度传感器，以监测其工作过程中的轴向、径向位移和润滑脂温度，如图1～图3所示。轴向和径向位移传感器选用非接触式电涡流传感器，传感器探头距被测靶面2.5 mm进行安装；温度传感器选用接触式铂电阻温度传感器，铂电阻测头探入转盘轴承桃形沟道中，与沟道中的润滑脂接触检测其温度。

图1 径向位移传感器安装位置

图2 轴向位移传感器安装位置

图3 温度传感器安装位置

1.2 传感器方位的确定

转盘轴承套圈的滚道经表面感应淬火会产生一个软带区，通常将软带安装在承载能力最小的位置，堵球塞一般处于淬火软带的位置。图4为风电偏航轴承运动时各点受力情况，堵球塞安装在承载能力较小的A或C处，而B，D处所受的载荷较大，是综合载荷作用下最大轴向变形和磨损的发生点，也是偏航轴承发生失效的危险点，因此在B，D处分别安装1个轴向位移传感器。

图4 偏航轴承工况下各点受力情况

由于径向跳动在各个方向都有可能发生，因此，在A，B，C和D处均安装1个径向位移传感器。

温度传感器可根据轴承运行的实际工况，在沟道上内置若干温度传感器，实时监测沟道的润滑脂温度变化情况。

2 传感器位置处沟道载荷[3-6]

偏航轴承沟道所受的载荷就是钢球对沟道的压力，每个钢球与沟道的接触载荷为

Q=f(K,δa,δr，θ,h,α,Dpw，φi) ，

(1)

式中：K为钢球与沟道间的接触刚度；δa为动圈轴向位移量；δr为定圈径向位移量；θ为动圈倾覆角；h为沟道中心水平偏心距；α为原始接触角；Dpw为球组节圆直径；φi为钢球位置角。

钢球与沟道的接触可以近似为点接触，由Hertz理论得，接触载荷与接触变形的关系为

Q=Kδn，

(2)

式中：δ为钢球与沟道的接触变形量；n为Hertz接触指数(球轴承n=1.5)。

在静载状态下，偏航轴承平衡方程为

(3)

(4)

(5)

式中：Z为钢球数；Fa为轴承承受的轴向力；Fr为轴承承受的径向力；M为倾覆力矩。

由文献[7]可以得出载荷分布和最大接触载荷的经验方程为

(6)

(7)

以某公司生产的风力发电机偏航轴承为研究对象，参数如下：球组节圆直径Dpw=2 410 mm，钢球直径Dw=50.8 mm，钢球数Z=132，径向力Fr=610.4 kN，轴向力Fa=1 524.1 kN，倾覆力矩M=6 456.7 MPa，沟道曲率r=1.04。通过文献[7]的经验方程以及利用Newton-Raphson法迭代计算得出，钢球对沟道的最大接触载荷Qmax=131.5 kN。

3 传感器安装结构对轴承性能的影响

3.1 评价方法

嵌入传感器的轴承结构将对轴承的性能产生影响，文献[8]给出了下面的评价指标。

轴承结构改变后引起的最大接触应力比为

(8)

式中：Sm为结构改变后轴承的最大接触应力；So为未改变结构轴承的最大接触应力。

轴承结构改变后引起的最大变形比

(9)

式中：um为结构改变后轴承的最大变形；uo为未改变结构轴承的最大变形。

轴承的最大许用载荷

(10)

式中：P为厂家给定的最大许用载荷；Pm为结构改变后的最大许用载荷。

轴承的最大许用应力和变形的增长率分别为

(11)

文献[8]介绍的轴承结构改变之后，最大接触应力的增长率为8.6%，最大变形量的增长率为15.2%，最大变形量的增长率大于最大接触应力的增长率，因此，其研究的轴承在结构设计的过程中，应该将最大变形量的增长率作为结构设计的主要考虑因素，并可由(10)式得出结构改变后轴承的最大许用载荷。

3.2 轴承的结构分析[9]

利用三维建模软件UG对偏航轴承进行参数化实体建模，将建好的模型导入ABAQUS中，划分网格，生成有限元模型。根据需要选择材料，施加载荷和约束，得到部件的接触应力及变形的分析结果。修改模型得到嵌入径向位移传感器的轴承的局部结构，用同样的方法进行有限元分析，并与原偏航轴承结果进行对比，分析嵌入传感器的轴承中安装传感器位置处结构的改变对原轴承局部应力分布和结构强度的影响。

3.2.1 未安装传感器时实体模型接触受力分析

通过三维建模软件UG对单排四点接触式球轴承进行实体建模，并截取安装传感器的部分结构进行有限元分析。

由于此次研究的是轴承安装传感器位置的受力情况，所以将轴承模型简化，截取一个钢球与其对应的沟道，在ABAQUS中进行接触受力分析。导入ABAQUS后生成有限元模型，对钢球和沟道的接触表面进行网格细化，生成网格，如图5所示。

图5 有限元网格

本次分析的转盘轴承内圈为定圈，固定安装在凸缘上，所以在添加约束时，将其下表面设定为完全约束。钢球对沟道产生以轴承水平面为基准近似45°，131.5 kN的接触载荷，因此，将球体耦合到钢球的中心，并在x，y方向对中心施加均为93 kN的载荷。运行ABAQUS进行计算，得到有限元计算结果，其等效的接触应力和位移如图6和图7所示。

图6 原模型的接触应力云图

图7 原模型的变形云图

由应力云图可以看出，钢球与沟道的最大接触应力为3 393 MPa，钢球与沟道的接触位置为应力集中区，而沟道的最大变形发生在上边缘以及沟道内与钢球的接触位置，最大变形量为0.204 7 mm。

3.2.2 安装传感器后模型的接触受力分析

在内圈上安装径向位移传感器，需要在内沟道上开槽安装固定支架。现改变实体模型，在轴承的上部开槽，根据位移传感器的尺寸确定槽的宽度为20 mm，改变槽的高度和长度，进行有限元分析。

在沟道的上表面开一个高7 mm，宽20 mm，长度分别为32，36，40，44和48 mm的长方形槽，通过分析得到沟道的最大接触应力和最大变形量，见表1(原模型槽长设为0)。

表1 槽长变化对最大接触应力及变形量的影响

由表1可以看出，偏航轴承上端开一个长度为32 mm，高为7 mm的传感器安装槽后，最大接触应力增加了12.38%，应力的增加最终导致结构改变后的偏航轴承承载能力降低。因此原有偏航轴承结构改变后，需要重新校核其承载能力，确保其接触应力不会超过沟道的许用接触应力。

在槽高不变的前提下，槽长从32 mm增加到48 mm后，最大接触应力和最大变形量的变化率增大的幅度分别为0.61%和0.293%，变化幅度不大，这说明最大接触应力和结构变形对槽长变化不敏感，槽长变化不是导致最大接触应力和结构变形增加的主导因素。

在沟道的上表面开一个长40 mm，宽20 mm，高度分别为3，5，7，9和11 mm的长方形槽，通过分析得到沟道的最大接触应力和最大变形量，见表2(原模型槽高设为0)。图8为槽高5 mm的接触应力云图；图9为槽高5 mm的变形云图。

表2 槽高变化对最大应力及变形量的影响

图8 槽高5 mm的接触应力云图

图9 槽高5 mm的变形云图

由表2可以看出，在槽长不变的前提下，槽的高度从3 mm增加到11 mm后，最大接触应力和最大变形量的变化率增大的幅度分别为5.1%和0.782%，变化幅度比较大。这说明最大接触应力和结构变形对槽高的变化比较敏感，槽高变化是导致最大接触应力和结构变形增加的主导因素，在嵌入传感器的偏航轴承结构设计时必须严格慎重确定槽高，并在设计完成后重新校核轴承的承载能力。

从表1、表2的结果可以得到，偏航轴承传感器安装结构改变时对应的接触应力变化率增幅远大于变形变化率增幅，可见最大接触应力对结构的改变更为敏感，在评价该轴承结构设计的优劣时应以最大接触应力变化率为主要评价参数。

文中还涉及到温度传感器及轴向位移传感器的安装，温度传感器直接安装在注油孔中，轴向位移传感器安装在外部支架上，均不改变轴承的结构，在此不予讨论。

4 结束语

(1)对现有转盘轴承作适当的结构改变，可以将位移传感器、温度传感器等置入转盘轴承，开发出可以实时监测运行过程中磨损、低频振动、润滑脂温度等信号的转盘轴承。

(2)风电转盘轴承在装机时应避免淬火软带承受重载，重载区域为转盘轴承损伤的危险区域，位移传感器应布置于转盘轴承的重载区域，监测重载区域的磨损和低频振动情况；温度传感器可以根据实际工况需要，沿转盘轴承定圈周向布置，温度传感器测头探入转盘轴承沟道的润滑脂中。

(3)研究表明，由于传感器安装位置的结构改变，偏航轴承沟道最大接触应力增幅在10%～15%，因此安装有传感器的轴承在完成结构设计后，必须重新校核承载能力。

(4)由于偏航轴承开槽位置、开槽方式及受力情况不尽相同，最大接触应力和最大变形都有可能作为轴承设计的限制因素。偏航轴承传感器安装结构改变时，对应的接触应力变化率增幅远大于变形变化率增幅，最大接触应力对结构的改变更为敏感，在评价结构设计的优劣时应以最大接触应力变化率作为主要评价参数。