目錄 11.1直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 11.2軸承的運(yùn)動(dòng)特性 21.1.1軸承受力特性分析 31.3調(diào)心滾子軸承動(dòng)力學(xué)特性 61.3.1保持架的角速度 61.3.2滾子的自轉(zhuǎn)速度 71.4滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理 71.4.1固有振動(dòng) 71.4.2存在載荷情況下的振動(dòng) 81.5滾動(dòng)軸承的失效和破壞形式 91.1直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理為了了解直驅(qū)風(fēng)機(jī)主軸承的受力狀態(tài)及工作環(huán)境，首先需要了解風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理。圖1.1直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖上圖為某1.5兆瓦直驅(qū)風(fēng)機(jī)示意圖。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒(méi)有齒輪箱這一部件，其多極電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，亦稱無(wú)齒輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承是通過(guò)葉片輪轂的主軸與其相連接，是機(jī)組發(fā)電的關(guān)鍵部件。圖1.2直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖通過(guò)查找資料得到風(fēng)機(jī)主軸承工作的實(shí)際狀況，其受到632628N的徑向載荷，44926N的軸向載荷，其大小固定不變。其工作原理為：風(fēng)機(jī)葉輪通過(guò)主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，切割磁感線，產(chǎn)生電力。由于轉(zhuǎn)速的不確定性，其產(chǎn)生的電能也是不穩(wěn)定的，需要添加變流器將電流變成穩(wěn)定的直流電，在逆變成穩(wěn)定交流電。通過(guò)變壓器將其升壓然后送往風(fēng)電場(chǎng)升壓站并網(wǎng)。1.2軸承的運(yùn)動(dòng)特性直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)心滾子軸承內(nèi)部工作情況非常復(fù)雜。在正常情況下，軸承的內(nèi)圈與主軸相連，主軸以勻速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)心滾子軸承的內(nèi)圈也是勻速旋轉(zhuǎn)。在軸承內(nèi)圈的扭矩的帶動(dòng)下，調(diào)心滾子軸承的滾子在進(jìn)行圍繞軸承軸心線公轉(zhuǎn)的同時(shí)，繞著自己的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)。由于滾子在軸承內(nèi)部所受的載荷不是恒定不變的，只在軸承下半部分時(shí)受力，所以滾子的運(yùn)動(dòng)也隨著其所在位置的不同而變化。軸承在正常工作過(guò)程中分為承載區(qū)和非承載區(qū)兩個(gè)部分。承載區(qū)內(nèi)的滾子運(yùn)動(dòng)和內(nèi)圈是同步的，此時(shí)內(nèi)圈滾道控制其運(yùn)動(dòng)。而非承載區(qū)，滾子運(yùn)動(dòng)會(huì)因?yàn)橛凶枘岬拇嬖诙晕笥诒３旨?。滾子與保持架之間不連續(xù)的微量撞擊就是由于這種滯后引起的。因此保持架的運(yùn)動(dòng)也變得極為復(fù)雜[45]。另外在軸承運(yùn)行過(guò)程中，零件之間存在一定的相對(duì)滑動(dòng)，如滾子相對(duì)于套圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)摩擦系數(shù)不能滿足時(shí)，滾子還會(huì)產(chǎn)生陀螺運(yùn)動(dòng)或輕載打滑等運(yùn)動(dòng)[46]。1.1.1軸承受力特性分析1.滾子的受力特性在軸承運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，滾子會(huì)產(chǎn)生離心力和陀螺力矩。由子慣性力，轉(zhuǎn)速深刻影響著滾子與內(nèi)外圈滾道的接觸幾何關(guān)系[47]。當(dāng)外接觸角減小吋，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)圈接觸角增大；隨著外負(fù)載的減少，接觸負(fù)載將隨之增大；內(nèi)圈的接觸應(yīng)力以及各部分零件的變形、接觸區(qū)域的大小都會(huì)存在不同程度的變化，這些變化都會(huì)影響軸承的使用壽命和切削度[47]。當(dāng)滾子軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩。外圈的接觸力隨著慣性力的增大而增大，滾子沿滾道切向和軸向滑動(dòng)；慣性力矩可以使?jié)L子繞著徑向和切向旋轉(zhuǎn)，從而降低軸承的受力作用和潤(rùn)滑效果。2保持架的受力分析保持架主要作用為將滾子等距離的隔離開(kāi)并引導(dǎo)并帶動(dòng)滾動(dòng)體在正確的滾道上滾動(dòng)。保持架作為一個(gè)受力系作用的剛體，保持架與滾子、內(nèi)圈和外圈之間都存在著摩擦和劇烈撞擊，因而保持架運(yùn)動(dòng)也變得十分復(fù)雜，使軸承極易過(guò)早產(chǎn)生不應(yīng)發(fā)生的故障[48]。假設(shè)保持架在軸承徑向表面有兩個(gè)自由度和一個(gè)繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的自由度，其運(yùn)動(dòng)一般是瞬態(tài)的。其力主要有：保持架和滾子之間相互作用產(chǎn)生的沖擊力和摩擦力；保持架質(zhì)心不平衡引起的力；重力；慣性力；其他力。1和2所述的是間歇性力。例如：保持架是否在給定的時(shí)間與給定的滾動(dòng)體引導(dǎo)擋邊相接觸，取決于軸承中與他們有關(guān)的相對(duì)位置。摩擦力的模型可以是流體動(dòng)力性的、彈流性的或干摩擦性的，這取決于潤(rùn)滑劑、接觸載荷與軸承結(jié)構(gòu)幾何特性。保持架質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的歐拉方程為：Ixωx?Iyωy?Izωz?式中，Ix、Iy和Iz分別是保持架的慣性矩，ωx、ωy、mrx=Fxmry=Fymry=Fz式中m是保持架質(zhì)量，rx、ry、rz描述保持架質(zhì)心位置。Fx、Fy、Fz是作用在保持架上的靜力分量。一旦求出保持架的力和力矩分量，就能求出其加速度。對(duì)運(yùn)動(dòng)范成積分就會(huì)求出保持架移動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)速度和位置矢量。3.保持架和滾子之間的作用力滾子與保持架存在的相互作用力有：由保持架兜孔和滾子之間的相對(duì)位移差引起的穩(wěn)態(tài)力，以及由保持架兜孔和滾子之間的速度差引起的瞬態(tài)力[49]。保持架和滾子之間的力包括兩部分：穩(wěn)定力和動(dòng)力。其中保持架兜孔和滾子之間的位移差導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)力的產(chǎn)生。保持架兜孔和滾子之間的碰撞產(chǎn)生動(dòng)力。保持架兜孔和滾子之間的半自由接觸。當(dāng)滾子旋轉(zhuǎn)的角速度與保持架的角速度不同時(shí)，滾子和保持架會(huì)發(fā)生碰撞。滾子在保持架上的力是促進(jìn)還是阻礙其運(yùn)動(dòng)，與保持架與滾子之間的相對(duì)位移，速度以及許多其他因素有關(guān)，因此計(jì)算非常復(fù)雜。速度模型用于解析滾子和保持架之間的力。在特定位置，滾子在保持架上的法向力為[50]：Fcθ=Kc?kc?k?ycos徑向力Fcr為：Fcr=μFcθμ=ηuL2Fcθ（式其中K是載荷變形系數(shù)；Δkc是第k個(gè)孔與滾子中心距；Dpw是滾子組節(jié)圓直徑;Z為滾子個(gè)數(shù);ωj為第j個(gè)滾子公轉(zhuǎn)角速度;ωc4．滾子和滾道之間的接觸應(yīng)力和變形公式。赫茲接觸理論用于計(jì)算軸承的接觸力。通常，滾子與軌道表面之間的接觸可分為點(diǎn)接觸和線性接觸。當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸，而當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，滾子和軌道變?yōu)榫€性接觸。點(diǎn)接觸對(duì)于調(diào)心滾子軸承E1V1接觸應(yīng)力和變形公式為a=0.0236mb=0.0236mP0δ=2.79×10其中，a表示滾子與滾道接觸長(zhǎng)半軸，b表示接觸短半軸。P0表示當(dāng)量靜負(fù)荷，δ表示接觸的彈性趨近量。線接觸對(duì)于調(diào)心滾子軸承，線接觸應(yīng)力和變形公式為：b=3.34×10?3P0δ=3.83×10其中，b表示滾子與滾道接觸橢圓短半軸，P0表示當(dāng)量靜負(fù)荷，δ表示接觸的彈性趨近量，l5.滾子套圈接觸法向負(fù)載分布當(dāng)載荷施加到軸承上時(shí)，載荷必須轉(zhuǎn)移到每個(gè)滾子上。對(duì)于承受徑向載荷的滾子軸承，通常只有滾子的下部承擔(dān)載荷，而滾子的另一部分不承擔(dān)載荷，并且載荷會(huì)按照一定的規(guī)則分配給每個(gè)滾子。軸承內(nèi)部間隙的變化會(huì)直接影響環(huán)的應(yīng)力區(qū)域的大小，如圖1.1所示。間隙越?。ɑ蝾A(yù)載荷越大滾動(dòng)元件將越多地分擔(dān)外部施加到軸承軸的力。為了證明間隙對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響，基于赫茲理論研究了非線性載荷變形及其沿滾動(dòng)體的分布。1.3調(diào)心滾子軸承動(dòng)力學(xué)特性1.3.1保持架的角速度假設(shè)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為ni，外圈轉(zhuǎn)速為nVi=π60nVe=π60n內(nèi)外滾道線速度的平均值就是滾子的中心的線速度[53]。由（式1.17）和（式1.18）可得：Vm=π120n保持架的線速度為：Vm=π60n保持架相對(duì)于內(nèi)外圈的轉(zhuǎn)速[52]為：nm=11.3.2滾子的自轉(zhuǎn)速度假設(shè)滾子相對(duì)內(nèi)圈的位移為Sn，相對(duì)于外圈的位移為SSn=S由此得滾子的自轉(zhuǎn)速度[52]為：nb=11.4滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理軸承的振動(dòng)可分為固有振動(dòng)和存在負(fù)載情況下的振動(dòng)[53]本節(jié)將對(duì)軸承的這兩種振動(dòng)進(jìn)行討論分析。1.4.1固有振動(dòng)在軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，滾子與軸承內(nèi)外圈之間的碰撞使軸承產(chǎn)生振動(dòng)，是軸承的固有振動(dòng)。固有振動(dòng)只受軸承零部件材料、形狀和質(zhì)量等本身?xiàng)l件的影響[54]。滾子的固有振動(dòng)公式為：fbm=0.4240其中r為滾子半徑，ρ為材料密度，E為彈性模量。內(nèi)外圈的固有頻率公式為：fm=9.4×10其中，R為內(nèi)外圈繞軸的慣性矩；為單位長(zhǎng)度的質(zhì)量；E為彈性模數(shù)；n為振動(dòng)階數(shù)。1.4.2存在載荷情況下的振動(dòng)1.軸承公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于只有下半部分在承載區(qū)的滾子受力，因此承載區(qū)軸承剛度會(huì)發(fā)生一定變化，產(chǎn)生軸心波動(dòng)現(xiàn)象[55]。這種振動(dòng)主要頻率為：fc=ffz=f其中fc為公轉(zhuǎn)頻率；fr為軸的旋轉(zhuǎn)頻率；1.由于軸承剛度非線性產(chǎn)生的振動(dòng)滾動(dòng)軸承依靠滾道與滾子的彈性接觸來(lái)承載。當(dāng)軸承潤(rùn)滑效果不佳時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生類似于彈簧的特性[56]。3.因?yàn)檩S承本身制造和裝配產(chǎn)生的振動(dòng)1）軸承的加工精度：軸承圈的橢圓度，框架孔中的一些間隙以及滾道表面的波紋度。大量研究表明，軸承振動(dòng)的主要來(lái)源是機(jī)架中的孔空間。如果間隙太大或太小，電動(dòng)機(jī)將劇烈振動(dòng)。（2）安裝軸承時(shí)的匹配精度是指軸承與端蓋，軸軸承和軸承座的匹配精度所引起的軸承振動(dòng)。1.5滾動(dòng)軸承的失效和破壞形式腐蝕、斷裂、膠合、疲勞剝落、磨損、塑性變形、保持架損壞為滾動(dòng)軸承常見(jiàn)的七種失效形式[57,58]。在上述故障剛剛開(kāi)始發(fā)生的時(shí)候，通過(guò)技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)故障，并加以修復(fù)，便可延長(zhǎng)軸承的試用壽命。以下為常見(jiàn)的軸承故障形式及成因：腐蝕：由于部件沒(méi)有油層保護(hù)暴露在空氣中，軸承與空氣中的成分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或金屬表面與空氣中的氧氣發(fā)生氧化從而產(chǎn)生銹斑。斷裂：滾子和滾到或者保持架之間受到了超出其設(shè)計(jì)安全值的力，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈、外圈、保持架發(fā)生斷裂。膠合：當(dāng)滾子與滾到或者保持架之間