CN103256908B - 一种变桨轴承径向游隙的确定方法 - Google Patents

一种变桨轴承径向游隙的确定方法 Download PDF

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Abstract

一种变桨轴承径向游隙的确定方法,包括以下步骤:(1)、根据给定的变桨轴承结构参数以及设定的径向游隙值,求出空载下变桨轴承接触对在不同位置角处钢球与滚道间的法向接触力;(2)、计算出变桨轴承的空载启动摩擦力矩;(3)、根据不同径向游隙取值下空载启动摩擦力矩的值,拟合出径向游隙与空载启动摩擦力矩之间的关系式,(4)、将给定的变桨轴承空载启动摩擦力矩的值,代入步骤(3)中拟合出的关系式,确定出变桨轴承的径向游隙。本发明根据空载启动摩擦力矩的大小来确定变桨轴承径向游隙的值,不仅大大提高了结果的准确性,而且为变桨轴承径向游隙的确定提供了科学的依据,改变了变桨轴承径向游隙现有确定方法中凭经验取值的状况。

Description

一种变桨轴承径向游隙的确定方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机轴承游隙的确定方法,尤其是一种风力发电机变桨轴承径向游隙的确定方法。
背景技术
风力发电机轴承包括变桨轴承、偏航轴承、主轴轴承和变速箱轴承,变桨轴承广泛采用特大型双排四点接触球轴承,安装在风力发电机每个叶片的根部与轮毂的连接部位。变桨轴承常年在野外工作,风速最高可达32m/s,所承受载荷十分复杂,经常受到冲击载荷的作用,所以要求径向游隙为零游隙或者负游隙,以减小滚动工作面的微动磨损。变桨轴承径向游隙的大小不仅影响装配、变桨轴承的启动力矩、旋转精度和支承刚度,还影响变桨轴承的寿命。风力发电机变桨轴承的多数结构参数都有明确的取值依据,这些参数的取值在现行标准中大都已经标准化,但变桨轴承径向游隙的取值一直没有确定依据,往往凭经验取值,采用试取值-验证-修改-再取值-再验证的方法,大大降低了变桨轴承的设计效率,尤其对于变桨轴承中的径向负游隙该如何取值也没有依据,从而确定出的变桨轴承径向向游隙不够准确,严重影响变桨轴承的使用寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种变桨轴承径向游隙的确定方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下:一种变桨轴承径向游隙的确定方法,包括以下步骤:
(1)、根据给定的变桨轴承结构参数、自身重力以及设定的变桨轴承径向游隙值,求出空载下变桨轴承接触对k在不同位置角处钢球与滚道间的法向接触力
(2)、应用公式(8)计算出变桨轴承的空载启动摩擦力矩,公式中为正常运转时的摩擦力矩,可以根据步骤(1)中的经计算得出,为两接触材料之间的最大静摩擦系数;为两接触材料之间的滑动摩擦系数;
(3)、根据不同径向游隙取值下空载启动摩擦力矩的值拟合出径向游隙与空载启动摩擦力矩之间的关系式,具体如下:
①、在-0.05mm~0mm之间,选取至少五个径向游隙的值,每取一个值,采用步骤(1)和步骤(2),计算出不同径向游隙取值下变桨轴承的空载启动摩擦力矩
②、根据步骤①计算出的径向游隙不同取值下,变桨轴承的空载启动摩擦力矩的变化趋势,变桨轴承的径向游隙与空载启动摩擦力矩之间的关系可用函数(29)
近似表达,其中,At为待拟合系数,可由最小二乘法计算得到待拟合系数A、t的值;
③、将求出的系数A、t的值代入公式(29),得到径向游隙与空载启动摩擦力矩之间的关系式;
(4)、将给定的变桨轴承空载启动摩擦力矩的值,代入步骤(3)中公式(29),确定出变桨轴承的径向游隙的值。
所述步骤(1)具体如下:
①、由内外圈沟曲率中心距公式
(1)
计算出不同径向游隙设定值时内外圈沟曲率中心距,当径向游隙值设定为零时,内外圈沟曲率中心距A 0由公式
(2)
计算得出
②、由公式
(3)
计算出变桨轴承不受外部载荷的作用,只承受自身重力作用时,接触对k的值分别为1,2,3,4时在位置角处内外圈沟曲率中心距,
上述公式中:为内圈承受自身重力作用下,内圈的轴向位移;
内圈发生位移后,接触对k在位置角处的接触角分别为:
(4)
内圈在重力和所有滚动体接触载荷的作用下处于平衡状态,由于轴承没有受到外载荷的作用,则轴承所受轴向力为轴承自身重力即:则内圈的力学平衡方程为:
(5)
方程(5)
中:(k=1,2,3,4)为接触对k在位置角处的法向接触载荷,G为内圈的重量;
③、由公式(6)
求出任意位置角处,沿接触对的方向,钢球与滚道总的弹性接触变形
④、根据Hertz接触理论,按照下列公式,
(7)
求出为滚动体与内外圈总的负荷变形常数。将求出的带入方程(5)进行检验,如果方程误差超出精度范围,则对重新赋值,重复步骤①-④,直到得到符合要求的
所述步骤(2)中正常运转时的摩擦力矩M由公式(9)
计算得出,其中
①、弹性滞后引起的摩擦力矩由公式
(10)
计算得出,公式中
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
为轴承节圆直径;为第一类椭圆积分;为第二类椭圆积分;为接触椭圆长半轴;为接触椭圆短半轴;为两接触曲面曲率和;为综合弹性模量;为轴承钢球弹性模量;为轴承内外圈弹性模量;为钢球泊松比;为内外圈泊松比;为弹性滞后系数,对轴承取,以上变量的下标i、e分别表示内圈和外圈;
②、差动滑动引起的摩擦力矩由公式
(18)
计算得出,其中,
(19)
(20)
(21)
为滑动摩擦系数;
③、自旋滑动引起的摩擦力矩由公式
(22)
计算得出,式中,为实际工作接触角;
④、保持架与滚动体接触产生的摩擦力矩由公式
(23)
计算得出,式中,为保持架重量;
⑤、保持架与引导面接触产生的摩擦力矩M CR由公式
(24)
计算得出,式中,为引导面相对保持架的转速;为保持架中心对轴承中心的偏心量;为引导套圈挡边直径;
⑥、润滑剂的黏性摩擦力矩由公式
(25)
计算得出,式中,为润滑剂封入形态决定的常数,这里取c=0.88;Z为轴承钢球总数;为自轴承中心到球与内圈接触点的距离;
(26)
为内圈滚道底部半径;为内圈沟曲率半径;为1个球与润滑剂间绕轴承轴线旋转的摩擦力;
(27)
式中,为绕流阻力系数;为润滑剂密度;为钢球的公转速度。
⑦、密封圈与套圈之间的摩擦力矩由公式
(28)
计算得出,式中,为密封圈与套圈之间的摩擦系数。
有益效果:本发明根据空载启动摩擦力矩的大小来确定变桨轴承径向游隙的大小,不仅大大提高了变桨轴承的设计效率,而且结果更加准确,更接近变桨轴承工作环境的需要,从而延长了变桨轴承的使用寿命;另外本发明也为变桨轴承径向游隙的确定提供了科学的确定依据,改变了变桨轴承径向游隙现有确定方法中凭经验取值的状况。
附图说明
图1是具体实施方式中,径向游隙与变桨轴承的空载启动摩擦力矩之间的函数关系图。
图2是具体实施方式中,A、t的值分别为0.62118、871505.65和-0.0493时,径向游隙与变桨轴承的空载启动摩擦力矩之间的函数关系图。
具体实施方式
以某型号双排四点接触球轴承为例,结构参数、材料参数如下:
,变桨轴承内圈重量为:,客户给出的变桨轴承空载启动摩擦力矩为
(1)、根据给定变桨轴承结构参数及自身重力,求出空载下轴承不同位置角处钢球与滚道间的法向接触力
根据给定变桨轴承几何参数及内圈位移的一个初值,径向游隙在-0.05mm-0mm,每隔-0.05mm取一个值,通过公式(1)、(2)、(3)求出,结果代入公式(6)求出;然后由公式(7)求出
(2)、计算变桨轴承的空载启动摩擦力矩
由步骤(1)计算出的各个钢球位置处的法向接触力及公式(29)计算出变桨轴承的空载启动摩擦力矩
(3)、根据不同径向游隙值下空载启动摩擦力矩的值拟合出径向游隙与空载启动摩擦力矩之间的关系式,具体步骤如下:
改变径向游隙值,这里径向游隙值范围为-0.05mm~0mm,每隔0.005取一个点,重复步骤(1)、步骤(2)计算出不同径向游隙值下空载启动摩擦力矩的值,即径向游隙的取值分别为-0.05mm,-0.045mm,-0.04mm,-0.035mm,-0.03mm,-0.025mm,-0.02mm,-0.015mm,-0.01mm,-0.005mm,0mm时,轴承的空载启动摩擦力矩分别为:5011431N.mm、4387394N.mm、3858601N.mm、3419675N.mm、3064890N.mm、2788090N.mm、2582580N.mm、2440950N.mm、2354774N.mm、2314046N.mm、2306651N.mm。
结果如图1所示;根据公式(29)利用最小二乘法拟合出A、t的值分别为0.62118、871505.65和-0.0493时,径向游隙与空载启动摩擦力矩之间的关系函数,如图2所示;其函数表达式为:
(30)
(4)、根据用户提出的空载启动摩擦力矩的值,代入上述径向游隙与空载启动摩擦力矩之间的关系式,可确定出变桨轴承的游隙
将客户提供的空载启动摩擦力矩带入式(30)计算出,则轴承径向游隙取-0.014mm,至此变桨轴承径向游隙设计过程结束。

Claims (3)

1.一种变桨轴承径向游隙的确定方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)、根据给定的变桨轴承结构参数、自身重力以及设定的变桨轴承径向游隙值,求出空载下变桨轴承接触对k在不同位置角处钢球与滚道间的法向接触力
(2)、应用公式计算出变桨轴承的空载启动摩擦力矩,公式中为正常运转时的摩擦力矩,其根据步骤(1)中的经计算得出,为两接触材料之间的最大静摩擦系数;为两接触材料之间的滑动摩擦系数;
(3)、根据不同径向游隙取值下空载启动摩擦力矩的值拟合出径向游隙与空载启动摩擦力矩之间的关系式,具体如下:
①、在-0.05mm~0mm之间,选取至少五个径向游隙的值,每取一个值,采用步骤(1)和步骤(2),计算出不同径向游隙取值下变桨轴承的空载启动摩擦力矩
②、根据步骤①计算出的径向游隙不同取值下,变桨轴承的空载启动摩擦力矩的变化趋势,变桨轴承的径向游隙与空载启动摩擦力矩之间的关系可用函数式近似表达,其中,At为待拟合系数,由最小二乘法计算得到待拟合系数A、t的值;
③、将求出的系数A、t的值代入函数式,就得到了径向游隙与空载启动摩擦力矩之间的关系式;
(4)、将给定的变桨轴承空载启动摩擦力矩的值,代入步骤(3)中函数式,确定出变桨轴承的径向游隙
2.根据权利要求1所述的一种变桨轴承径向游隙的确定方法,其特征在于:步骤(1)具体如下:
①、由内外圈沟曲率中心距公式
(1)
计算出不同设定值时内外圈沟曲率中心距,其中,为内圈沟曲率半径系数,为外圈沟曲率半径系数,为钢球直径,为原始接触角;当径向游隙值设定为零时,内外圈沟曲率中心距A 0由公式
(2)
计算得出
②、由公式
(3)
计算出变桨轴承不受外部载荷的作用,只承受自身重力作用时,接触对k的值分别为1,2,3,4时在位置角处内外圈沟曲率中心距,
公式(3)中:为内圈承受自身重力作用下,内圈的轴向位移;内圈发生位移后,接触对k在位置角处的接触角分别为:
(4)
内圈在重力和所有滚动体接触载荷的作用下处于平衡状态,由于变桨轴承没有受到外载荷的作用,则变桨轴承所受轴向力为轴承自身重力:则内圈的力学平衡方程为:
(5)
方程(5)中:(k=1,2,3,4)为接触对k在位置角处的法向接触力,G为内圈的重量;
③、由公式(6)
求出任意位置角处,沿接触对的方向,钢球与滚道总的弹性接触变形
④、根据Hertz接触理论,按照下列公式,
(7)求出为滚动体与内外圈总的负荷变形常数,将求出的带入方程(5)进行检验,如果方程(5)不能满足精度要求,则对内圈的轴向位移重新赋值,重复步骤①到④直到求出的值满足要求。
3.根据权利要求1所述的一种变桨轴承径向游隙的确定方法,其特征在于:所述步骤(2)中正常运转时的摩擦力矩M由公式(9)计算得出,
其中
①、弹性滞后引起的摩擦力矩由公式
(10)
计算得出,公式中
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
为变桨轴承节圆直径;为第一类椭圆积分;为第二类椭圆积分;为接触椭圆长半轴;为接触椭圆短半轴;为两接触曲面曲率和;为综合弹性模量;为轴承钢球弹性模量;为轴承内外圈弹性模量;为钢球泊松比;为内外圈泊松比;为弹性滞后系数,对轴承取均为中间变量,以上变量的下标i、e分别表示内、外圈,表示,Z为轴承钢球总数,为原始接触角;
②、差动滑动引起的摩擦力矩由公式
(18)
计算得出,其中,为滑动摩擦系数,为钢球直径,为钢球与内滚道之间的差动滑动引起的摩擦力矩,为钢球与外滚道之间的差动滑动引起的摩擦力矩,(19)
(20)
(21)
表示为内圈沟曲率半径系数,为外圈沟曲率半径系数,为钢球与内滚道之间的差动滑动引起的摩擦力矩或钢球与外滚道之间的差动滑动引起的摩擦力矩,
③、自旋滑动引起的摩擦力矩由公式
(22)
计算得出;
式中,为实际工作接触角;
④、保持架与滚动体接触产生的摩擦力矩由公式
(23)
计算得出;
式中,为保持架重量;
⑤、保持架与引导面接触产生的摩擦力矩M CR由公式
(24)
计算得出,式中,为引导面相对保持架的转速;为保持架中心对轴承中心的偏心量;为引导套圈挡边直径;
⑥、润滑剂的黏性摩擦力矩由公式
(25)
计算得出,式中,为润滑剂封入形态决定的常数,这里取c=0.88;Z为轴承钢球总数;为自轴承中心到球与内圈接触点的距离;
(26)
为内圈滚道底部半径;为内圈沟曲率半径;为1个球与润滑剂间绕轴承轴线旋转的摩擦力;
(27)
式中,为绕流阻力系数;为润滑剂密度;为钢球的公转速度,
⑦、密封圈与套圈之间的摩擦力矩由公式
(28)
计算得出,式中,为密封圈与套圈之间的摩擦系数,为密封圈与套圈之间的压力。
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