兆瓦级风机主轴轴承接触应力与疲劳寿命分析

摘要

风电行业的快速发展促进了风电专用轴承行业的发展，近年来我国在风电专用轴承的设计与制造上已经取得了很大进步。但是，在风电轴承的寿命、承载能力以及可靠性等方面，与世界先进水平还存在很大差距。风机主轴轴承是一种风电专用轴承，目前国内对风机主轴轴承接触应力与疲劳寿命的研究还不够深入。本文以某兆瓦级风力发电机主轴轴承为研究对象，对该轴承进行接触应力与疲劳寿命研究，分析影响轴承接触应力与疲劳寿命的因素，探究提高主轴轴承承载能力与疲劳寿命的方法，为风机主轴轴承的设计与制造提供一定的参考。
　　本研究主要内容包括：⑴在合理简化风机模型的基础上，分析载荷作用下主轴轴承的力学特性，计算出主轴轴承在额定风速下的受力，其中轴承所受径向力为653660N、轴向力为33643N。载荷计算结果可为后续轴承接触应力与疲劳寿命的研究提供依据。⑵基于ANSYS有限元分析平台对建立的主轴轴承静力学模型进行接触应力分析，求解出轴承内外圈滚道在额定风速下的应力分布情况，确定出最下端滚子与轴承内圈接触处为轴承的危险受载位置。进一步分析了游隙、接触角对轴承接触应力的影响，得出了适当的负游隙以及较小的接触角可以提高主轴轴承承载能力的结论，可根据此对主轴轴承进行结构优化。⑶基于Fe-safe疲劳寿命软件对主轴轴承在额定风速下的疲劳寿命进行计算，寿命结果满足风机20年额定设计寿命的要求。为了使主轴轴承能够在更为恶劣的工况下满足使用寿命的要求，进一步探讨了轴承表面粗糙度以及轴承制造残余压应力对其寿命的影响，计算出主轴轴承在不同表面粗糙度与不同残余压应力下的疲劳寿命。研究结果表明，提高主轴轴承表面粗糙度质量以及在轴承内外圈滚道表层引入有利的残余压应力，都可以极大程度地提高主轴轴承的疲劳寿命。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 风电轴承相关技术综述

1.3 课题研究内容

第二章 接触力学与疲劳寿命理论

2.1 Hertz接触理论

2.2 疲劳寿命分析理论

2.3 本章小结

第三章 风机主轴轴承的负载计算

3.1 风电机组主轴系统结构及轴承简介

3.2 风力发电机载荷来源与主轴轴承受力

3.3主轴轴承径向载荷计算

3.4主轴轴承轴向载荷计算

3.5 本章小结

第四章 主轴轴承接触应力分析

4.1 有限元法

4.2 主轴轴承接触应力有限元建模

4.3 结果分析

4.4 游隙对轴承应力分布的影响

4.5 接触角对轴承应力分布的影响

4.6 本章小结

第五章 主轴轴承疲劳寿命分析

5.1 疲劳分析建模

5.2 基于Fe-Safe软件的主轴轴承疲劳寿命计算

5.3 主轴轴承疲劳寿命结果分析

5.4 轴承表面粗糙度对疲劳寿命的影响

5.5 轴承制造残余压应力对疲劳寿命的影响

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文