CN111291455B - 一种风电设备用调心轴承滚子的修形设计方法 - Google Patents

Abstract

一种风电设备用调心轴承滚子的修形设计方法，应用于调心轴承球面滚子端部的修形。通过对球面滚子不修形部分的曲线进行拟合，得到修形对数曲线方程，球面滚子的中间部位不需修形，而且可使修形部位和不修形部位的衔接点平顺。球面滚子的中间部位不修形，一方面可以保留原调心轴承的调心性能，另一方面可以大幅降低球面滚子修形的加工量。根据本发明得到的修形对数曲线，通过计算可得到在修形范围内最大的凸度量以及轮廓曲线，再根据得到的轮廓曲线可对球面滚子修形。本发明的修形设计方法改善了调心滚子轴承内部的应力分布，成倍地延长了调心滚子轴承的使用寿命，进而极大减小风机的维护成本，具有显著的应用价值。

Description

一种风电设备用调心轴承滚子的修形设计方法

技术领域

本发明属于轴承领域，主要涉及一种风电设备用调心轴承滚子的修形设计方法。

背景技术

轴承是风力发电设备的核心部件之一，往往影响着整个设备的运行。一旦主轴轴承出现问题，动辄需付出上千万的设备维修代价，造成严重的经济损失。调心滚子轴承广泛用作风电设备主轴和增速箱轴承，主轴起支承轮毂及叶片，传递扭矩到增速器的作用，主轴轴承主要承受径向力，其性能优劣不仅影响传递效率，也影响着整个机组的维护成本，所以要求具有良好的调心性能、抗振性能、运转平稳性和长寿命等。近年来，随着风电行业的迅猛发展，对调心滚子轴承的需求量及质量要求不断提高。而调心滚子轴承由于其结构特点难以实现高精度，精度一般最高只能达到P5；如何提高使用寿命成为行业内关注的重点和难点。

调心滚子轴承主要包括内外圈、若干球面滚子、保持架等组件，有的轴承还包括内隔圈、密封件等。球面滚子位于内外圈之间，有自转和公转运动。球面滚子和内外圈滚道具有不同的半径，形成球-球形式的接触，同时由于球面滚子有一定的半径和长度，也形成线接触。所以调心滚子轴承内部的接触比点接触的球轴承、线接触的圆柱和圆锥滚子轴承更为复杂。而轴承的内部接触问题与轴承使用寿命息息相关。

在线接触的圆柱和圆锥轴承领域，滚子端面应力集中问题受到很大关注，通常对圆柱和圆锥滚子轴承中的直线滚子进行不同形式的修形，修形曲线常见的包括圆弧型、对数型等，滚子端部最大修形量一般为几微米到几十微米，修形后的滚子可消除边缘应力集中，整个表面上会形成较均匀的应力分布，可有效提高轴承的使用寿命数倍以上。目前线接触的圆柱和圆锥滚子轴承的修形设计和加工已较为成熟，得到普遍应用。

专利授权号CN103810354B的专利公开了一种圆柱滚子轴承对数修形曲线的优化设计方法，首先将对数修形曲线方程简化变形，针对简化变形的对数修形曲线方程进行处理，使优化设计转化为对简化变形的对数修形曲线方程式中一个参数的优化问题，然后，应用有限元物理仿真方法获得的接触应力的分布规律曲线图，通过对多组对数曲线方程模型的计算分析和接触应力分布规律曲线图对比，优化对数修形曲线方程公式中一个参数，也就是对对数曲线的斜率和修形的凸度量进行优化设计，从而设计出与所受载荷和被修形元件几何形状相对应的最佳修形曲线。该专利用于圆柱滚子或圆锥滚子等柱面滚子的修形设计，而调心滚子与滚道的接触面为球面。对于调心滚子轴承来说，其调心性能的特殊性要求其可修形的长度范围是有限的，不能占比过大。因此对于调心滚子来说，上述专利的技术方案并不适用调心滚子的修形。

对于复杂接触的调心滚子轴承，其球面滚子从未考虑过修形问题。传统理解上认为球面滚子和内外圈滚道不同的半径值，会在球面滚子端面形成较大的间隙，受载时，不会形成端面应力集中。即使遇到载荷较大的工况，球面滚子变形量较大而形成端面应力集中时，也仅是修正球面滚子和内外滚道半径值，使端部间隙进一步增大，从而确保不会出现边缘应力。通常的做法是加大球面滚子和内外滚道半径值之差。实际上根据赫兹接触理论，两球面接触形成的应力分布是中部最大，四周逐渐减小；而两接触体的半径值差值越大，中部的应力值越大。因此对修正后的调心滚子轴承，内部虽然解决了边缘应力集中，但加大了中部接触应力，使原本较大的中部接触应力进一步增大。虽然消除了边缘集中，却使应力集中到了中部，需要评估轴承真实寿命的变化。

另外，对于受载较小的调心滚子轴承，虽不会形成边缘应力集中，但在轴承使用后期，球面滚子逐渐磨损，接触应力开始向滚子两端蔓延，最终仍会形成边缘应力集中，这种情况是不能通过修正球面滚子和内外圈滚道的半径值而得到解决的。

发明内容

为解决背景技术中的问题，本发明提供一种风电设备用调心轴承滚子的修形设计方法，其目的在于：球面滚子中部的球型面为不修形段，仅在球面滚子的两端部进行对数修形，通过修形改善调心滚子轴承内部的应力分布，延长调心滚子轴承的使用寿命。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种风电设备用调心轴承滚子的修形设计方法，应用于调心轴承球面滚子端部的修形，包括以下步骤：

S1：设置修形长度与球面滚子有效长度的比值为m，其中，0<m<0.25，选取适合的m值；

S2：以球面滚子的中心接触点为坐标零点，以调心轴承的轴向方向为x轴，以调心轴承的径向方向为y轴，建立坐标系，建立曲线拟合方程如下：

修形对数曲线方程：

（1）

式中L为球面滚子总长度，f为系数；

球面滚子与外圈滚道的间隙方程：

（2）

式中，R₁为外圈滚道半径，R₂为球面滚子半径；

S3：在球面滚子不修形的长度范围内进行曲线拟合，计算系数f：

联立方程（1）与方程（2），使方程（1）与方程（2）的方差Y₃最小，即：其中，0<x<(0.5-m)L_we （3）

式中L_we为球面滚子的有效长度；

对方程（3）中f求导,令其等于0，计算系数f：

S4：确定修形对数曲线方程，在修形范围内计算最大凸度量、绘制轮廓曲线。

其中，(0.5-m) L_we <x<L/2

由于采用上述技术方案，相比背景技术，本发明具有如下有益效果：

本发明通过对球面滚子不修形部分的曲线进行拟合，得到修形对数曲线方程，球面滚子的中间部位不需修形，而且可使修形部位和不修形部位的衔接点平顺。球面滚子的中间部位不修形，一方面可以保留原调心轴承的调心性能，另一方面可以大幅降低球面滚子修形的加工量。

在球面滚子的两端部，修形对数曲线比圆弧曲线下降的速度更快，间隙也更大，该部位为修形部位。根据本发明得到的修形对数曲线，通过计算可得到在修形范围内最大的凸度量以及轮廓曲线，再根据得到的轮廓曲线可对球面滚子修形。本发明的修形设计方法改善了调心滚子轴承内部的应力分布，成倍地延长了调心滚子轴承的使用寿命，具有显著的应用价值。

附图说明

图1是调心滚子轴承结构的示意图。

图2是原球面滚子与外圈滚道间隙的示意图。

图3为线接触的对数空间的示意图。

图4为不同系数f值的对数曲线的对比图。

图5为不同占比m值的对数曲线的对比图。

图6为m取值0.15时对数曲线的对比图。

图7为m取值0.15时修正对数曲线的对比图。

图8为计算流程的示意图。

图中：1、外圈； 2、球面滚子；3、内圈；4、保持架；5、球面滚道；6、对数空间；7、0线；8、对数曲线轮廓。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

如图1所示，所述调心滚子轴承主要包括外圈1、球面滚子2、内圈3、保持架4，其他常见的调心滚子轴承还可能包括内隔圈、密封件等。球面滚子2是核心零件，在轴承中可以自转和绕轴承中轴线公转，提供支撑和传动作用。

如图2所示，所述球面滚道5与球面滚子2具有不同的半径，在中部接触。这样在两接触体之间即形成一定间隙，间隙值在球面滚子中心点处为0，间隙值向滚子端部方向逐渐增大。不受载时是点接触，受载后接触体发生弹性变形，形成接触椭圆，载荷越大接触椭圆越大，当超过滚子长度范围时，会形成边缘应力集中。通常做法是通过调整半径差值，即密合度来增加间隙量，从而改善边缘应力集中问题。但是这种做法加大了球面滚子中心点处的接触应力，且使球面滚子表面的应力分布不均匀。除了受载较大的情况外，当受力较小时，轴承在正常寿命周期内不会产生边缘应力集中，但在后期磨损后，应力范围开始扩大，逐渐也会形成边缘应力集中。因此，本发明提出局部修形的方法，可有效改善轴承内部的应力分布，在不增大球面滚子中心点应力的情况下，解决边缘应力集中问题。

滚子修形实质是两接触体间的间隙问题，如图3所示，在线接触领域，间隙呈对数空间6是理想的情况。即假如接触体的一方是0线7，那么另一接触体具有对数曲线轮廓8，形成对数空间6时，是理想的情况。因此对于调心的球面滚子也可参考这种间隙，在经验上认为是合适且可行的。首先要考虑的是球面滚子和外圈滚道并不是两条直线直接接触，而是球面-球面接触，两接触体之间已天然存在一定间隙。基于此，首先计算两接触体之间的间隙空间，假如外滚道5的半径为R₁，球面滚子的半径为R₂，R₁必定大于R₂，两球面在中部接触，那么两球面形成的间隙方程为：

（2）

要形成对数空间，需使用对数曲线方程，很容易想到已被证实且广泛应用的Lundberg对数曲线，其方程为：

式中对数方程的系数包括材料参数、滚子最大载荷W、滚子有效长度L_we，球面滚子与线接触不同，在滚子最大载荷W下，仍不会形成边缘应力集中，其修形显然会不同，因此对数方程修改为：

（3）

方程中仅包含了滚子有效长度L_we，系数f，仍以间隙空间作为对比，可看出不同系数值对Y产生影响。

以某型号调心滚子轴承为例进行计算，球面滚子尺寸为总长度L=120mm，倒角为r=3mm，有效长度L_we为114mm，半径R₂=360mm，外圈滚道半径为368mm。分别绘制方程（2）（3）的曲线图。如图4所示，不同的系数f对应的曲线不同，过小或过大均与圆弧间隙曲线偏离较多。由此注意到，如果取合适的系数f值，如f=0.07和f=0.09这两条曲线，将在x的一定取值范围内使两条曲线具有较高的吻合度，那么在该范围内就可以不进行滚子修形，剩下的部分对数曲线下降较快，即为修形部分。

假设修形部分长度占滚子有效长度的m倍，0<m<0.25，那么在（0.5-m）L_we段为不修形部分，该段与圆弧线间隙曲线具有较高的吻合度，那么通过拟合该段曲线，即可得到系数f的值。曲线拟合有多种方法，此处采用两条曲线上各点的方差和为最小，因此在0<m<（0.5-m）L_we范围内，作曲线方程的方差和，命名为Y₃，得到：

对未知数f求导，等于0的点即为最小值点。可以得到系数f表达式为：

如图5所示，m取不同的值得到的曲线不同，对于调心滚子轴承来说，其调心性能的特殊性要求其可修形的长度范围是有限的，不能占比过大，因此建议取0.1~0.2。

如图6所示，m取值0.15，解得f=0.0796，得到两条曲线图。最大修形量为两条曲线末端的最后一点相减，得到值为0.1789mm。以圆柱和圆锥滚子轴承线接触修形的经验看，该值偏大。回顾前面的推导过程，可以对对数曲线进行修正，对数方程内的滚子有效长度改为滚子全长，即增加两端倒角尺寸即可。此时，对数曲线方程变化为

如图7所示，当m=0.15时，解得f=0.0905，此时的最大修形量为0.0910mm，即到0点的距离，对于调心滚子轴承认为较为合适。以上所有计算步骤中的对数曲线方程均按修正后的方程计算。

综合以上步骤，可以归纳为如图8所示的计算流程示意图。因数据较多，可编写计算机程序计算，可大幅缩短计算量。

上述是轴承的外圈1和球面滚子2两接触体为例进行的说明，轴承的内圈3和球面滚子2也可按本发明所述方法进行计算。本发明未详述部分为现有技术。

在理解本发明计算逻辑的基础上，使用其他计算方法，如其他曲线拟合方法，均视为在本发明权利内。

Claims (1)

1.一种风电设备用调心轴承滚子的修形设计方法，应用于调心轴承球面滚子端部的修形，其特征是：包括以下步骤：

S1：设置修形长度与球面滚子有效长度的比值为m，其中，0<m<0.25，选取适合的m值；

S2：以球面滚子的中心接触点为坐标零点，以调心轴承的轴向方向为x轴，以调心轴承的径向方向为y轴，建立坐标系，建立曲线拟合方程如下：

修形对数曲线方程：

（1）

式中L为球面滚子总长度，f为系数；

球面滚子与外圈滚道的间隙方程：

（2）

式中，R₁为外圈滚道半径，R₂为球面滚子半径；

S3：在球面滚子不修形的长度范围内进行曲线拟合，计算系数f：

联立方程（1）与方程（2），使方程（1）与方程（2）的方差Y₃最小，即：其中，0<x<(0.5-m)L_we （3）

式中L_we为球面滚子的有效长度；

对方程（3）中f求导,令其等于0，计算系数f：

S4：确定修形对数曲线方程，在修形范围内计算最大凸度量、绘制轮廓曲线，

其中，(0.5-m) L_we <x<L/2。