一种表面硬化滚道风电主轴轴承的疲劳寿命计算方法技术

一种表面硬化滚道风电主轴轴承的疲劳寿命计算方法，主要有三个步骤组成：步骤一、风电主轴轴承的几何建模，步骤二、风电主轴轴承的力学分析，步骤三、风电主轴轴承的寿命计算；由于采用了上述技术方案，本发明专利技术具有如下优越性：通过轴承的5自由度力学析，解决了风电主轴轴承在5个方向载荷联合作用下的内部滚子载荷分布的计算问题；通过有限元分析得到表面硬化滚道的次表面应力分布，利用应力作用次数与交变应力幅值之间的关系计算得到轴承的疲劳寿命，计算结果准确反映了表面硬化滚道风电主轴轴承的疲劳寿命。轴承的疲劳寿命。轴承的疲劳寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种表面硬化滚道风电主轴轴承的疲劳寿命计算方法


[0001]本专利技术涉及风电轴承分析计算领域，具体为一种表面硬化滚道风 电主轴轴承的疲劳寿命计算方法。

技术介绍

[0002]风电主轴轴承显著不同于采用轴承钢制造并对套圈进行整体淬 透硬化的常规滚动轴承。风电主轴轴承采用合金结构钢或渗碳钢制 造，仅通过对滚道表面的淬火硬化或渗碳硬化来提高接触疲劳强度。 不同于常规滚动轴承全淬透套圈滚道的均一材料机械性能，对于表面 硬化滚道的轴承套圈，随着滚道表面下深度的不同而具有不同的材料 力学性能。从而，表面硬化滚道在滚子载荷反复作用下的接触疲劳失 效机理不同于全淬透滚道。
[0003]现有的轴承疲劳寿命计算理论是建立在全淬透轴承钢材料的基 础上的，采用现有轴承疲劳寿命理论计算风电主轴轴承的疲劳寿命难 以得到符合工程实际的计算结果，因此急需要一种可获取表面硬化滚 道风电主轴轴承的疲劳寿命计算方法。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种表面硬化滚道风电主轴轴 承的疲劳寿命计算方法。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：一种表面硬化滚道风电主轴轴承的疲 劳寿命计算方法，包括如下步骤：
[0006]S1、建立坐标系，坐标系的原点位于轴承的几何中心，X轴沿着 轴承的轴线方向指向上风向，Y轴在水平面内指向轴承的侧向，Z轴 沿着竖直方向向上的方向；在外部载荷的作用下，滚子与滚道之间构 成线接触；滚子与滚道之间接触线的中心点分别用P
i1
、P
e1<br/>、P
i2
、P
e2
、P
i3
和P
e3
表示，其中，下标i、e分别代表内圈和外圈，下标1、2和3分 别代表上风向滚道、下风向滚道和径向滚道；利用轴承内部的几何关 系，依次得到关于上风向滚道、下风向滚道和径向滚道圆周位置ψ的 滚子与外圈以及内圈滚道接触线中心点的坐标；
[0007]S2、将滚子沿轴向切为n
s
片，以滚子的长度中心为坐标原点，则 每一个滚子切片的厚度中心在滚子轴向的坐标λ
j
可以表示为：
[0008][0009]其中，j＝1,2,3,
…
,n
s
，L
w
为滚子长度，并依据上述公式依次获 得上风向滚道、下风向滚道和径向滚道圆周位置ψ的滚子的第j个切 片与外圈以及内圈滚道接触点的坐标；
[0010]S3、具体步骤如下：
[0011]S3.1、结合步骤S1和S2，在坐标系中将上风向滚子切片与滚道 接触点的坐标表示成矢量和其中
[0012][0013][0014]并依次得到矢量和
[0015]主轴轴承的外圈与风力发电机组的主机架相联接固定不动，内圈 与风轮相联接，在风轮载荷F
x
、F
y
、F
z
、M
y
和M
z
的作用下，内圈将产 生相应载荷方向的位移δ
x
、δ
y
、δ
z
、θ
y
和θ
z
，此时，滚子与内圈滚道 之间的接触线上点的位置可以通过坐标变换得到；
[0016]S3.2、并通过主轴轴承的内圈产生位移后，上风向内圈滚道、下 风向内圈滚道和径向内圈滚道上的点的坐标结合在轴承圆周上的任 意滚子位置ψ滚子与滚道面之间的第j对接触点之间的弹性趋近量获 得上风向、下风向以及径向滚道圆周位置ψ的滚子的负荷表达式；
[0017]S3.3、主轴轴承的内圈在外部载荷F
x
、F
y
、F
z
、M
y
和M
z
和内部滚 子载荷的共同作用下处于平衡状态，从而得到5个方向的平衡关系组 成的方程组，结合方程组，得到滚子载荷Q
1,ψ
、Q
2,ψ
和Q
3,ψ
，将上风向 滚道的所有滚子载荷进行当量处理，得到外圈滚道的当量滚动体载荷 和内圈滚道的当量滚动体载荷，并依次得到下风向滚道和径向滚道的 当量滚动体载荷；
[0018]S4、建立滚子与表面硬化滚道之间的弹塑性接触有限元模型，表 面硬化滚道的下表面施加全自由度约束，滚子施加水平面内的位移约 束，在滚子的上表面施加当量滚动体载荷，通过对有限元模型的求解 得到表面硬化滚道的次表面应力分布：
[0019]并根据有限元分析得到的表面硬化滚道次表面脉动应力范围 Δσ
eq
，利用公式计算得到滚道的疲劳寿命N。
[0020]作为优选方案，在S1步骤中，对于上风向滚道圆周位置ψ的滚 子，滚子与外圈滚道接触线中心点P
e1
的坐标为：
[0021]x
e1,ψ
＝0.5h
c
[0022]y
e1,ψ
＝0.5d
m1
cosψ
[0023]z
e1,ψ
＝0.5d
m1
sinψ
[0024]式中，d
m1
——上风向滚子分布圆直径；h
c
——外圈的上、下风向 滚道面之间的轴向距离；ψ——滚子在轴承圆周上的位置角；
[0025]上风向滚子与内圈滚道接触线中心点P
i1
的坐标为：
[0026]x
i1,ψ
＝0.5h
c
+D
w1
[0027]y
i1,ψ
＝0.5d
m1
cosψ
[0028]z
i1,ψ
＝0.5d
m1
sinψ
[0029]式中，D
w1
——上风向滚子直径；
[0030]对于下风向滚道圆周位置ψ的滚子，滚子与外圈滚道接触线中心 点P
e2
的坐标为：
[0031]x
e2,ψ
＝
‑
0.5h
c
[0032]y
e2,ψ
＝0.5d
m2
cosψ
[0033]z
e2,ψ
＝0.5d
m2
sinψ
[0034]式中，d
m2
——下风向滚子分布圆直径；
[0035]下风向滚子与内圈滚道接触线中心点P
i2
的坐标为：
[0036]x
i2,ψ
＝
‑
0.5h
c
‑
D
w2
[0037]y
i2,ψ
＝0.5d
m2
cosψ
[0038]z
i2,ψ
＝0.5d
m2
sinψ
[0039]式中，D
w2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面硬化滚道风电主轴轴承的疲劳寿命计算方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、建立坐标系，坐标系的原点位于轴承的几何中心，X轴沿着轴承的轴线方向指向上风向，Y轴在水平面内指向轴承的侧向，Z轴沿着竖直方向向上的方向；在外部载荷的作用下，滚子与滚道之间构成线接触；滚子与滚道之间接触线的中心点分别用P
i1
、P
e1
、P
i2
、P
e2
、P
i3
和P
e3
表示，其中，下标i、e分别代表内圈和外圈，下标1、2和3分别代表上风向滚道、下风向滚道和径向滚道；利用轴承内部的几何关系，依次得到关于上风向滚道、下风向滚道和径向滚道圆周位置ψ的滚子与外圈以及内圈滚道接触线中心点的坐标；S2、将滚子沿轴向切为n
s
片，以滚子的长度中心为坐标原点，则每一个滚子切片的厚度中心在滚子轴向的坐标λ
j
可以表示为：其中，j＝1,2,3,
…
,n
s
，L
w
为滚子长度，并依据上述公式依次获得上风向滚道、下风向滚道和径向滚道圆周位置ψ的滚子的第j个切片与外圈以及内圈滚道接触点的坐标；S3、具体步骤如下：S3.1、结合步骤S1和S2，在坐标系中将上风向滚子切片与滚道接触点的坐标表示成矢量和其中其中并依次得到矢量和主轴轴承的外圈与风力发电机组的主机架相联接固定不动，内圈与风轮相联接，在风轮载荷F
x
、F
y
、F
z
、M
y
和M
z
的作用下，内圈将产生相应载荷方向的位移δ
x
、δ
y
、δ
z
、θ
y
和θ
z
，此时，滚子与内圈滚道之间的接触线上点的位置可以通过坐标变换得到；S3.2、并通过主轴轴承的内圈产生位移后，上风向内圈滚道、下风向内圈滚道和径向内圈滚道上的点的坐标结合在轴承圆周上的任意滚子位置ψ滚子与滚道面之间的第j对接触点之间的弹性趋近量获得上风向、下风向以及径向滚道圆周位置ψ的滚子的负荷表达式；S3.3、主轴轴承的内圈在外部载荷F
x
、F
y
、F
z
、M
y
和M
z
和内部滚子载荷的共同作用下处于平衡状态，从而得到5个方向的平衡关系组成的方程组，结合方程组，得到滚子载荷Q
1,ψ
、Q
2,ψ
和Q
3,ψ
，将上风向滚道的所有滚子载荷进行当量处理，得到外圈滚道的当量滚动体载荷和内圈滚道的当量滚动体载荷，并依次得到下风向滚道和径向滚道的当量滚动体载荷；S4、建立滚子与表面硬化滚道之间的弹塑性接触有限元模型，表面硬化滚道的下表面施加全自由度约束，滚子施加水平面内的位移约束，在滚子的上表面施加当量滚动体载荷，通过对有限元模型的求解得到表面硬化滚道的次表面应力分布：并根据有限元分析得到的表面硬化滚道次表面脉动应力范围Δσ
eq
，利用公式计算得到滚道的疲劳寿命N。
2.根据权利要求1所述一种表面硬化滚道风电主轴轴承的疲劳寿命计算方法，其特征在于：在S1步骤中，对于上风向滚道圆周位置ψ的滚子，滚子与外圈滚道接触线中心点P
e1
的坐标为：x
e1,ψ
＝0.5h
c
y
e1,ψ
＝0.5d
m1 cosψz
e1,ψ
＝0.5d
m1 sinψ式中，d
m1
——上风向滚子分布圆直径；h
c
——外圈的上、下风向滚道面之间的轴向距离；ψ——滚子在轴承圆周上的位置角；上风向滚子与内圈滚道接触线中心点P
i1
的坐标为：x
i1,ψ
＝0.5h
c
+D
w1
y
i1,ψ
＝0.5d
m1 cosψz
i1,ψ
＝0.5d
m1 sinψ式中，D
w1
——上风向滚子直径；对于下风向滚道圆周位置ψ的滚子，滚子与外圈滚道接触线中心点P
e2
的坐标为：x
e2,ψ
＝
‑
0.5h
c
y
e2,ψ
＝0.5d
m2 cosψz
e2,ψ
＝0.5d
m2 sinψ式中，d
m2
——下风向滚子分布圆直径；下风向滚子与内圈滚道接触线中心点P
i2
的坐标为：x
i2,ψ
＝
‑
0.5h
c
‑
D
w2
y
i2,ψ
＝0.5d
m2 cosψz
i2,ψ
＝0.5d
m2 sinψ式中，D
w2
——下风向滚子直径；对于径向滚道圆周位置ψ的滚子，滚子与外圈滚道接触线中心点P
e3
的坐标为：x
e3,ψ
＝0y
e3,ψ
＝0.5(d
m3
+D
w3
)cosψz
e3,ψ
＝0.5(d
m3
+D
w3
)sinψ式中，d
m3
——径向滚子分布圆直径，D
w3
——径向滚子直径；径向滚子与内圈滚道接触线中心点P
i3
的坐标为：x
i3,ψ
＝0y
i3,ψ
＝0.5(d
m3
‑
D
w3
)cosψz
i3,ψ
＝0.5(d
m3
‑
D
w3
)sinψ。3.根据权利要求1所述一种表面硬化滚道风电主轴轴承的疲劳寿命计算方法，其特征在于：在S2步骤中对于上风向滚道圆周位置ψ的滚子，滚子的第j个切片与外圈滚道接触点的坐标为：x
e1,ψ,j
＝0.5h
c
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云峰，蔡海潮，李金成，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：