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风力发电机变桨轴承力学分析.pdf

风力发电机变桨轴承力学分析

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2011-08-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《风力发电机变桨轴承力学分析pdf》,可适用于工程科技领域

第卷第期年月中�国�工�程�机�械�学�报CHINESEJOURNALOFCONSTRUCTIONMACHINERYVolNo�Mar作者简介:王思明(),男,博士生E�mail:wsmcom风力发电机变桨轴承力学分析王思明,罗继伟,许明恒(西南交通大学机械工程学院,四川成都�洛阳轴承研究所,河南洛阳�)摘要:为提高风力发电机变桨轴承的可靠性和设计水平,根据受力与变形的关系推导出变桨轴承滚道上载荷分布的计算公式,并通过实例计算得出变桨轴承在某一负游隙时,具有最大的承载力关键词:风力发电机变桨轴承力学分析中图分类号:TH����文献标识码:A����文章编号:()MechanicalanalysisonpitchbearingofwindturbinesWANGSi�ming,LUOJi�wei,XUMing�heng(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu,ChinaLuoyangBearingResearchInstitute,Luoyang,China)Abstract:Toimprovethereliabilityanddesignlevelforpitchbearingofwindturbines,theformulaeofloaddistributionarededucedbasedontherelationshipbetweenloadinganddeformationforpitchbearingracewaysItisfoundfromnumericalexamplesthat,incasewhenanegativeclearanceoccursinpitchbearing,thepitchbearingpossessesthehighestloadingcapacityKeywords:windturbinepitchbearingmechanicalanalysis��变桨轴承主要用于兆瓦级以上的变桨距风力发电机中,采用的结构形式多为内圈带齿或无齿双排点接触球转盘轴承,安装于叶片和轮毂之间,叶片可以相对其轴线旋转进行变桨,以提高风力发电机的风能利用系数,并优化其输出功率曲线风力发电机在野外常年运转,工作过程中变桨轴承受到叶片传递来的空气动力、重力、离心力和偏航引起的载荷,以及受到控制机构产生的起动、停车、刹车和变桨等载荷,这些载荷具有交变性和随机性同时变桨轴承一般安装在~m的高空,装拆困难,要求其可靠运行年可见,变桨轴承工作环境恶劣,受力复杂多变,可靠性要求极高因此,为提高变桨轴承的设计水平和运行可靠性,对其滚道的载荷分布进行分析�变桨轴承载荷位移关系变桨轴承的结构为双排球点接触球转盘轴承,相当于个单排点接触球转盘轴承并排共同承载,钢球和内外滚道形成对接触点,即,,,接触点对,如图a所示变桨轴承的受力情况如图b所示图b中,Dpw为轴承钢球中心圆直径,dc为轴承排钢球中心距,Qj�为接触对j(j=,,,)的法向接触载荷设变桨轴承外圈固定,在轴向力Fa、径向力Fr和倾覆力M�矩联合作用下,轴承的内、外套圈产生轴向相对位移!、径向相对位移r和相对转角位移�接触对j(j=,,,)的位置角�(即受载荷最大的钢球与其他钢球的夹角)处,钢球与沟道总的弹性接触变形量j�等于内圈位移后的沟心距和原始沟心距的差,而径向相对位移r引起的接触变形径向分量r�为���中�国�工�程�机�械�学�报第卷�r�=rcos�()��转角位移�将引起的接触变形轴向分量!��近似为a��=Dpw�cos�()��由转角位移�引起的接触变形径向分量r��近似为r��=dc�cos�()��变桨轴承在受到如图b所示的外力情况下,钢球接触载荷增加的变形分量为正,反之为负以钢球和内圈为隔离体,接触对j法向接触载荷Qj�的径向力分量Qjr�向下的为正,向上为负轴向力分量Qj!�向左为正,向右为负轴向分量和径向力分量分别产生的力矩Mj!�和Mjr�,逆时针方向为正,顺时针为负,正负关系如表所示图�变桨轴承钢球和套圈的接触受力关系Fig�Relationofforcebetweenballandringofpitchbearing表�接触对j在位置角�处位移和力的正负关系Tab�Signofdisplacementandforceinthecontactpairjandpositionangle�位移力接触对j=接触对j=接触对j=接触对j=aQja�r�Qjr�a��Mja�r��Mjr���接触对,,和在任意位置角�的原始沟心距A均为A=Dw(fife)()式中:Dw为钢球直径fi,fe分别为内、外沟道的沟曲率半径系数轴承受载后,根据表中变形的正负关系,接触对j在位置角�处的沟心距Aj�分别改变为A�=(Asin!aa��)(Acos!r�r��)()A�=(Asin!aa��)(Acos!r�r��)()A�=(Asin!aa��)(Acos!r�r��)()A�=(Asin!aa��)(Acos!r�r��)()式中:!是原始接触角则在接触对j的位置角�处,钢球与沟道总的弹性接触变形量j�为j�=Aj�A,�j=,,,()��内圈发生位移后,接触对j在位置角�处的接触角!j�分别改变为!�=arcsinAsin!aa��A�()!�=arcsinAsin!aa��A�()!�=arcsinAsin!aa��A�()!�=arcsinAsin!aa��A�()�第期王思明,等:风力发电机变桨轴承力学分析����根据Hertz点接触理论,接触对j在位置角�处,法向接触载荷Qj�和接触变形j�关系为Qj�=Knj�,�j��,�j�<()式中:对于轴承钢制造的轴承,Kn=ni(∀#i)ne(∀#e),∀#i、∀#e为钢球与内、外滚道接触点主曲率和ni,ne为钢球与内、外滚道接触点主曲率函数F(#)有关的系数,具体计算方法可参考文献以内圈和钢球为隔离体,并设接触载荷作用于钢球的中心,钢球法向接触力Qj�的轴向力分量Qja�、径向力分量Qjr�以及轴向力分量和径向力分量产生的力矩Mj!�和Mjr�分别为Qja�=Qj�sin!j�()Qjr�=Qj�cos!j�cos�()Mja�=DpwQj�sin!j�()Mjr�=dcQj�cos!j�cos�()��根据图b和表力的正负关系可建立内圈的轴向力、径向力和倾覆力矩静力学平衡方程组为Fa=!j=!∃�=()jQja�()Fr=!j=!∃�=Qjr�()M�=!j=!∃�=()jMja�!j=!∃�=Mjr�!j=!∃�=Mjr�()式()~()构成的方程组是以轴承内圈位移a,r和�为未知量的三元非线性方程组当给定某一外载荷时,可运用Newton�Raphson非线性方程组的数值解法解得a,r和�,然后由式()求出滚道上的载荷分布Qj�同时,在原始沟心距A上加入轴承间隙值,还可计算出轴承间隙值和承载能力的关系图�轴承最大受力钢球处接触力与间隙的关系Fig�Relationcurvebetweencontactforceandclearanceformaximumloadedball�实例计算某MW风力发电机变桨轴承,型号为B��P,结构参数如表所示,材质为CrMo,运行时某时刻受到轴向力kN、径向力kN和倾覆力矩kN∀m,对其进行载荷分析表�型号B��P的变桨轴承结构参数Tab�Structuralparametersofpitchbearing(B��P)滚珠直径mm单排钢球数个接触角(#)钢球中心圆直径mm排钢球中心距mm内外沟道曲率半径mm��由表中参数,对式()计算得Qj�=j���根据上节编写MATLAB程序,计算得到在受到轴向力kN、径向力kN和倾覆力矩kN∀m时,轴承最大受力钢球处接触力与间隙的关系如图所示可见,在钢球与滚道之间有mm左右的过盈时接触负荷最小,即轴承有最大的承载能力说明变桨轴承有某一负间隙时可提高承载能力同时可绘制零间隙时的轴承滚道受力分布曲线,如图所示由图可知,最大接触载荷Qmax在位置角为的接触对上,为kN���中�国�工�程�机�械�学�报第卷�图�变桨轴承滚道上接触载荷分布Fig�Contactforcedistributiononthepitchbearingraceways��受载最大钢球与内圈接触面中心最大压应力p为p=nanbQmax(!#i)()式中:na,nb为钢球与内滚道接触点主曲率函数F(#i)有关的系数同样,根据文献计算式()得p∃MPa��受载最大钢球与内圈接触面中心最大压应力小于许用接触应力MPa�结语变桨轴承受力复杂,工作条件恶劣,可靠性要求高因此,对变桨轴承的滚道载荷分布计算分析就显得尤为重要推导得出的载荷分布计算公式可为变桨轴承的设计计算提供理论依据通过实例计算,表明变桨轴承在某一负间隙时,有最大承载能力受载轴承的沟道上非零接触载荷呈正弦曲线分布参考文献:�HANSENMOLAerodynamicsofwindturbinesMndedLondon:Earthscan,�BURTONT,SHARPED,JENKINSN,etalWindenergyhandbookMNewYork:JohnWileySons,�李媛媛,叶亚飞风力发电机专用轴承J轴承,():LIYuanyuan,YEYafeiSpecialbearingforwindmillgeneratorJBearing,():�汪洪,陈原转盘轴承承载能力及额定寿命的计算方法J轴承,():WANGHong,CHENYuanCalculationmethodforloadcapacityandratinglifeofslewingrimbearingsJBearing,():�HARRISTARollingbearinganalysisMthedNewYork:JohnWileySons,�苏立樾,苏健转盘轴承载荷承载曲线的创建J轴承,():SULiyue,SUJianEstablishmentofstaticloadcurveofturntablebearingsJBearing,():

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