兆瓦级风机主轴承结构优化设计研究

摘要

随着化石能源的日益消耗和全球温室效应的加剧，可再生清洁能源的发展得到了世界各国的广泛关注。风能是重要的新能源种类之一，双列圆锥滚子轴承作为直驱型风机中一类关键的主轴承类型得到了国内外学者的广泛研究。目前，对大型双列圆锥滚子轴承优化设计的研究仍以如何提高单位体积下的额定动载荷为重点，仅将轴承几何尺寸关系作为优化约束，并未考虑载荷作用下轴承接触应力和轴承寿命对轴承设计的影响。实际中在进行轴系结构设计时，往往希望在保证轴承各项性能要求的情况下得到更紧凑的轴系结构。而目前的优化目标显然与这一实际的工程问题不相一致。为解决这一难题，本文对轴承的几何关系、滚子接触应力和轴承修正寿命进行了约束，建立以轴承体积为优化目标函数的优化设计方法。通过遗传算法优化得到在给定工况载荷下既满足应力和寿命要求且体积最小的双列圆锥滚子轴承，具体的研究内容如下： (1)建立了双列圆锥滚子轴承的接触载荷静力学模型，通过将轴承整体位移量转换到每个滚子法向位移得到轴承所受外载荷和滚子接触载荷之间的关系，最终求解出每个滚子的接触载荷。 (2)基于Hertz接触理论，用“切片法”求解了有限长接触问题，迭代求出滚子轮廓线上的应力分布，采用对数曲线修形对滚子轮廓线进行优化设计，寻找在最大滚子接触载荷下，使滚子轮廓最大应力最小的对数曲线修形参数。 (3)研究了风机轴承寿命计算的两种方法。首先，基于基本额定动载荷从滚动轴承的承载容量角度去分析寿命；其次，通过分析滚道接触情况来对寿命进行计算。研究了风机疲劳载荷-LDD载荷的处理方法，将原始载荷等效重组成新的载荷工况，以及利用等效工况计算轴承的等效寿命。 (4)建立以轴承体积为优化目标的优化设计方法，对轴承的几何关系、滚子接触应力和轴承修正寿命进行了约束，通过遗传算法优化得到了在给定工况载荷下既满足应力和寿命要求且体积最小的双列圆锥滚子轴承。将本方法优化出的轴承与原先使用的轴承进行了对比，在同时满足轴承性能要求的前下，本设计方法设计出的轴承体积减少了22%，节约了资源，降低了成本。 (5)以轴承的寿命作为优化目标，考虑了极限与疲劳载荷对轴承设计参数的影响，对固定外形尺寸下的轴承进行了优化设计。与先前使用的轴承寿命进行对比，发现本设计方法设计出的轴承寿命增加了10%。

目录

声明

1 绪论

1.2 国内外研究综述

1.2.2轴承静力学分析研究现状

1.2.3轴承寿命与可靠性研究现状

1.3本文主要研究内容

2 双列圆锥滚子轴承设计理论基础

2.1.1 双列圆锥滚子轴承的尺寸参数

2.1.2双列圆锥滚子轴承的主曲率

2.1.3双列圆锥滚子轴承的游隙

2.2 双列圆锥滚子轴承的承载性能

2.2.1 双列圆锥滚子轴承基本额定动载荷

2.2.2双列圆锥滚子轴承当量动载荷

2.3本章小结

3双列圆锥滚子轴承静力学分析

3.1.2 联合载荷作用下轴承接触载荷计算

3.1.3 双列圆锥滚子轴承接触载荷算例

3.2 轴承接触应力计算

3.2.2 双列圆锥滚子轴承接触应力求解

3.2.3 双列圆锥滚子轴承接触应力算例

3.3 滚子修形优化设计

3.3.2 滚子轮廓对数曲线优化修形模型建立

3.3.3对数曲线优化算例

3.4本章小结

4双列圆锥滚子轴承寿命计算方法

4.1.1 基于基本额定动载荷的轴承寿命计算方法

4.1.2 基于滚道接触情况下的轴承寿命计算方法

4.2疲劳载荷处理与计算方法

4.3本章小结

5 风电主轴承优化设计

5.1.2优化约束

5.1.3优化变量

5.1.4优化算法与流程

5.1.5优化算例

5.2以寿命为目标的轴承优化方法

5.2.2优化约束

5.3本章小节

结论

参考文献

附录ALDD载荷原始数据

附录BLDD载荷处理结果

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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