CN112557037B - 一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法，该方法以风力发电机主轴轴承等比例缩小模型为试验样本，借助小型的滚动轴承强化试验台即可等效实现风力发电机主轴轴承的加速寿命试验。该方法基于风力发电机主轴轴承试验模型与试验原型之间的等效寿命模型的相似准则，对电主轴轴承模型加速寿命试验在试验载荷、试验转速、试验中振动加速度型号与温度测量、试验失效判断和试验数据后处理上存在的问题进行解决。该方法的提出解决了当前我国4WM功率以上风电主轴轴承可靠性试验的难题，为风电主轴轴承加速寿命试验提供一种方案。

Description

一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法

技术领域

本发明专利属于机械工程领域，具体涉及一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法，采用该方法对风电主轴轴承进行试验，可以明显的缩短试验时间，降低试验成本。该方法能够节约试验成本的同时又保证准确合理地研究风力发电机主轴轴承的可靠性性能。

背景技术

风力发电机主轴轴承是风力发电机不可缺失的关键部件，其可靠性直接影响风力发电机的运行状况。主轴轴承直径可达数米，并且通常安装在野外高空，致使其维修难度大，维修费用高，更换一套主轴轴承成本不可估量，一旦出现失效，延误发电，实施维修，将给使用单位和制造单位均造成巨大损失。因此研究如何提高主轴轴承可靠性，对有效延长使用寿命具有重要意义。

目前我国国内尚无一家企业已研发4WM功率以上风电主轴轴承试验台。公开号为CN 105372069A的中国专利申请公开了一种大型风力发电机主轴承缩尺性能试验台，能够满足不同类型、尺寸风电主轴承综合性能试验；通过不同位置油缸复合加载能够模拟主轴承实际受载工况，同时实现对轴承温度、振动、转速、摩擦力矩、应力应变等性能参数的同步测量。所以为了科学合理的验证其可靠性性能，使用尺寸缩小模型进行风电主轴轴承寿命试验是一种可行的手段。因而迫切需要一种合理的风电主轴轴承模型加速寿命方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，一种风力发电机主轴轴承模型加速寿命试验相似准则建立方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

提出了一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据具体风电主轴轴承型号与现有轴承试验台按照式：

确定尺寸缩比；

其中，D_m为主轴轴承模型的节圆直径，D_p为主轴轴承原型的节圆直径；

步骤2：依据模型的尺寸缩比定制风电主轴轴承模型非标零件作为实验样本；

步骤3：根据加速寿命试验中原风电主轴轴承额定动载荷值Cr计算主轴轴承原型理论寿命值，计算公式如下；

式中：L_o.10为风电主轴轴承原型在初始工况下失效率为10％时理论寿命值；I_o为风电主轴轴承原型实际工况下最大当量动载荷值；

步骤4：根据试验要求与计算得出的风电主轴轴承原型理论寿命得出加速寿命试验加速因子

值；

式中：L_o.R为可靠度为R时风电主轴轴承在实际工况的理论寿命值，L_p.R为可靠度为R时风电主轴轴承在加速工况的理论寿命值；

步骤5：计算加速试验下的理论当量动载荷值，计算公式如下：

步骤6：计算风力发电机主轴轴承模型的当量动载荷值，计算公式如下：

P_m＝P_pc² (3)；

步骤7：判断风力发电机主轴轴承模型加速载荷是否使轴承产生实质性的塑性变形而导致轴承失效机理发生变化；

步骤8：计算风力发电机主轴轴承模型转速参数适用范围计算公式如下：

0·2n_p.lC^-1≤n_m≤0·6n_p.lC^-1 (5)

式中：n_p.l为原型轴承极限转速值，n_m为模型轴承试验转速值；

步骤9：使用传感器对润滑脂温度、环境温度、振动、摩擦力矩、电机温度、轴向和径向跳动进行实时监测与存储；

步骤10：对试验样品进行完全寿命试验；

步骤11：计算风力发电机主轴轴承原型寿命时间数据，计算公式如下：

t_p.i＝t_m.ic^-1 (6)

式中：t_p.i表示样本序号为i的风力发电机主轴轴承原型寿命时间，t_m.i表示样本序号为i的风力发电机主轴轴承模型实际寿命试验时间数据；

步骤12：计算风力发电机主轴轴承原型振动信号数据，计算公式如下：

V_p.a＝V_m.ac^-1 (7)

式中：V_p.a表示风力发电机主轴轴承原型振动加速度数据值，V_m.a表示风力发电机主轴轴承模型寿命试验监测记录的振动加速度数据值；

步骤13：计算风力发电机主轴轴承原型温度信号数据，计算公式如下：

T_p＝T_e+(T_m-T_e)c^-1 (8)

式中：T_p表示风力发电机主轴轴承原型温度数据值，T_e表示试验记录的环境温度值， T_m表示风力发电机主轴轴承模型试验中记录的温度数据值。

作为优选，所述步骤2包括依据模型的尺寸缩比定制风电主轴轴承模型非标零件作为实验样本，保证试验样本与原型的材料相同，粗糙度提高至Ra0.8及以上，表面热处理工艺相同，硬度相同，根据统计需要，样本数量为10～20套。

作为优选，所述步骤7还包括：若风力发电机主轴轴承模型满足式4则继续执行步骤 8，否则返回步骤4重新给出加速因子k_po；

作为优选，所述步骤9还包括：模型寿命试验中保证环境温度误差在±5℃；

作为优选，所述步骤10还包括：当试验样品试验轴承的任一零件损坏，使之不能正常运转，如保持架断裂、散套，密封元件变形，或实验轴承表面剥落超过1mm2则判定该轴承样品失效，记录试验的停止时间数据。

本发明的试验方法可以真实模拟风电主轴轴承原型实际加速寿命试验状态。本发明的试验方法通过提高载荷转速提高寿命试验效率，缩短试验周期。本发明使用缩比的轴承模型来降低主轴轴承试验成本。可以使用本方法实现4MW以上风力发电机主轴轴承的等效寿命试验。

附图说明

图1为本发明一种风力发电机主轴轴承模型加速寿命试验方法的流程图。

图2为本发明实施例中的时间寿命数据图。

图3为本发明实施例中的振动加速度信号数据图。

图4为本发明实施例中的温度信号数据图。

具体实施方式

结合附图对本发明的风力发电机主轴轴承模型加速寿命试验方法加以说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本方法依据风力发电机主轴轴承的寿命试验相似准则，基于Harris、王坚勇、徐东、高学海和李兴林等学者所提出的滚动轴承加速寿命试验方法，针对风力发电机主轴轴承模型在试验试验载荷、试验转速、试验中振动加速度型号与温度测量、试验失效判断和试验停止时间各方面的问题解决风力发电机主轴轴承全寿命试验问题，该方法包括以下步骤：

一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据具体风电主轴轴承型号与现有轴承试验台按照式：

确定尺寸缩比；

其中，D_m为主轴轴承模型的节圆直径，D_p为主轴轴承原型的节圆直径；

步骤2：依据模型的尺寸缩比定制风电主轴轴承模型非标零件作为实验样本；

步骤3：根据加速寿命试验中原风电主轴轴承额定动载荷值Cr计算主轴轴承原型理论寿命值，计算公式如下；

式中：L_o.10为风电主轴轴承原型在初始工况下失效率为10％时理论寿命值；P_o为风电主轴轴承原型实际工况下最大当量动载荷值；

步骤4：根据试验要求与计算得出的风电主轴轴承原型理论寿命得出加速寿命试验加速因子

值；

式中：L_o.R为可靠度为R时风电主轴轴承在实际工况的理论寿命值，L_p.R为可靠度为R时风电主轴轴承在加速工况的理论寿命值；

步骤5：计算加速试验下的理论当量动载荷值，计算公式如下：

步骤6：计算风力发电机主轴轴承模型的当量动载荷值，计算公式如下：

P_m＝P_pc² (3)；

步骤7：判断风力发电机主轴轴承模型加速载荷是否使轴承产生实质性的塑性变形而导致轴承失效机理发生变化；

步骤8：计算风力发电机主轴轴承模型转速参数适用范围计算公式如下：

0.2n_p.lc^-1≤n_m≤0.6n_p.lc^-1 (5)

式中：n_p.l为原型轴承极限转速值，n_m为模型轴承试验转速值；

步骤9：使用传感器对润滑脂温度、环境温度、振动、摩擦力矩、电机温度、轴向和径向跳动进行实时监测与存储；

步骤10：对试验样品进行完全寿命试验；

步骤11：计算风力发电机主轴轴承原型寿命时间数据，计算公式如下：

t_p.i＝t_m，ic^-1 (6)

式中：t_p.i表示样本序号为i的风力发电机主轴轴承原型寿命时间，t_m.i表示样本序号为i的风力发电机主轴轴承模型实际寿命试验时间数据；

步骤12：计算风力发电机主轴轴承原型振动信号数据，计算公式如下：

V_p.a＝V_m.ac^-1 (7)

式中：V_p.a表示风力发电机主轴轴承原型振动加速度数据值，V_m.a表示风力发电机主轴轴承模型寿命试验监测记录的振动加速度数据值；

步骤13：计算风力发电机主轴轴承原型温度信号数据，计算公式如下：

T_p＝T_e+(T_m-T_e)c^-1 (8)

式中：T_p表示风力发电机主轴轴承原型温度数据值，T_e表示试验记录的环境温度值， T_m表示风力发电机主轴轴承模型试验中记录的温度数据值。

所述步骤2包括依据模型的尺寸缩比定制风电主轴轴承模型非标零件作为实验样本，保证试验样本与原型的材料相同，粗糙度提高至Ra0.8及以上，表面热处理工艺相同，硬度相同，根据统计需要，样本数量为10～20套。

所述步骤7还包括：若风力发电机主轴轴承模型满足式4则继续执行步骤8，否则返回步骤4重新给出加速因子k_po；

所述步骤9还包括：模型寿命试验中保证环境温度误差在±5℃；

所述步骤10还包括：当试验样品试验轴承的任一零件损坏，使之不能正常运转，如保持架断裂、散套，密封元件变形，或实验轴承表面剥落超过1mm2则判定该轴承样品失效，记录试验的停止时间数据。

针对上述推导结果，结合具体实例加以说明：

实施例1

设定某风电主轴轴承轴承套圈及滚动体的材料为G20Cr2Ni4A轴承钢，试验参数如表 1所示；

表1试验原型参数表

由于试验台客观条件性质，实现原型的疲劳寿命试验比较困难，故而使用尺寸比例缩小的模型进行研究，现用p表示试验原型(prototype)的物理量；m表示试验模型(model) 的物理量；本实例选择滚子直径为D_m＝6mm，几何缩比D_m/D_p为0.1；

依据模型的尺寸缩比定制风电主轴轴承模型非标零件作为实验样本，保证试验样本与原型的材料相同，粗糙度提高至Ra0.8及以上，表面热处理工艺相同，硬度相同，根据统计需要，样本数量为10～20套；

设定加速寿命试验中原风电主轴轴承额定动载荷Cr为27500KN，风电主轴轴承原型实际工况下最大当量动载荷值P_o＝1472.2KN，由此可以算出实际加速寿命试验中计算主轴轴承原型理论寿命L_o.10＝17295.2h；

根据试验要求与计算得出的风电主轴轴承原型理论寿命得出加速寿命试验加速因子 k_po＝30；

根据

计算加速试验下的理论当量动载荷值为4084KN；

根据P_m＝P_pc²，计算风力发电机主轴轴承模型的当量动载荷值为40.84KN；

设定风电主轴轴承模型滚道和滚动体之间的法向力Q为3000N；风电主轴轴承模型的实际有效长度为4mm；接触点位置的曲率和函数为50；

根据公式4计算得2720MPa＜3300MPa，满足公式4；

根据式5计算风力发电机主轴轴承模型转速参数适用范围为200≤n_m≤600；

根据式6计算风力发电机主轴轴承原型寿命时间数据，得出时间数据表2，数据如图 2所示；

表2风力发电机主轴轴承原型和模型寿命时间数据

振动信号数据图如图3所示，通过实验传感器采集记录时间数据，根据式7计算风力发电机主轴轴承原型振动信号数据；

温度信号数据图如图4所示，通过实验中温度传感器监测风力发电机主轴轴承模型试验数据，根据式8计算风力发电机主轴轴承原型温度信号数据，假定环境温度恒为30°。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据具体风电主轴轴承型号与现有轴承试验台按照式：

确定尺寸缩比

式中，D_m为主轴轴承模型的节圆直径，D_p为主轴轴承原型的节圆直径；

步骤2：依据模型的尺寸缩比定制风电主轴轴承模型非标零件作为实验样本；

步骤3：根据加速寿命试验中原风电主轴轴承额定动载荷值Cr计算主轴轴承原型理论寿命值，计算公式如下；

式中：L_o.10为风电主轴轴承原型在初始工况下失效率为10％时理论寿命值；P_o为风电主轴轴承原型实际工况下最大当量动载荷值；

步骤4：根据试验要求与计算得出的风电主轴轴承原型理论寿命得出加速寿命试验加速因子

值

式中：L_o.R为可靠度为R时风电主轴轴承在实际工况的理论寿命值，L_p.R为可靠度为R时风电主轴轴承在加速工况的理论寿命值；

步骤5：计算加速试验下的理论当量动载荷值，计算公式如下：

步骤6：计算风力发电机主轴轴承模型的当量动载荷值，计算公式如下：

P_m＝P_pc² (3)；

步骤7：判断风力发电机主轴轴承模型加速载荷是否使轴承产生实质性的塑性变形而导致轴承失效机理发生变化；

步骤8：计算风力发电机主轴轴承模型转速参数适用范围计算公式如下：

0.2n_p.lc^-1≤n_m≤0.6n_p.lc^-1 (5)

式中：n_p.l为原型轴承极限转速值，n_m为模型轴承试验转速值；

步骤9：使用传感器对润滑脂温度、环境温度、振动、摩擦力矩、电机温度、轴向和径向跳动进行实时监测与存储；

步骤10：对试验样品进行完全寿命试验；

步骤11：计算风力发电机主轴轴承原型寿命时间数据，计算公式如下：

t_p.i＝t_m.ic^-1 (6)

式中：t_p.i表示样本序号为i的风力发电机主轴轴承原型寿命时间，t_m.i表示样本序号为i的风力发电机主轴轴承模型实际寿命试验时间数据；

步骤12：计算风力发电机主轴轴承原型振动信号数据，计算公式如下：

V_p.a＝V_m.ac^-1 (7)

式中：V_p.a表示风力发电机主轴轴承原型振动加速度数据值，V_m.a表示风力发电机主轴轴承模型寿命试验监测记录的振动加速度数据值；

步骤13：计算风力发电机主轴轴承原型温度信号数据，计算公式如下：

T_p＝T_e+(T_m-T_e)c^-1 (8)

式中：T_p表示风力发电机主轴轴承原型温度数据值，T_e表示试验记录的环境温度值，T_m表示风力发电机主轴轴承模型试验中记录的温度数据值。

2.根据权利要求1所述的一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法，其特征在于，所述步骤2包括依据模型的尺寸缩比定制风电主轴轴承模型非标零件作为实验样本，保证试验样本与原型的材料相同，粗糙度提高至Ra0.8及以上，表面热处理工艺相同，硬度相同，根据统计需要，样本数量为10～20套。

3.根据权利要求1所述的一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法，其特征在于，所述步骤7还包括：若风力发电机主轴轴承模型满足式4则继续执行步骤8，否则返回步骤4重新给出加速因子k_po。

4.根据权利要求1所述的一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法，其特征在于，所述步骤9还包括：模型寿命试验中保证环境温度误差在±5℃。

5.根据权利要求1所述的一种风电主轴轴承模型加速寿命试验方法，其特征在于，所述步骤10还包括：当试验样品试验轴承的任一零件损坏，使之不能正常运转，如保持架断裂、散套，密封元件变形，或实验轴承表面剥落超过1mm²则判定该轴承样品失效，记录试验的停止时间数据。

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