风电机组主轴承力学特性的计算方法、系统及介质

摘要

本发明公开了一种风电机组主轴承力学特性的计算方法及系统，包括：根据风轮载荷、传动链布局参数、仰角α，主轴重量Ms，齿轮箱重量Mg，求解作用于主轴承上的轴向载荷Fa和径向载荷Fr；以轴向载荷Fa和径向载荷Fr作为输入量，分析主轴承内圈、滚动体的位移，计算滚动体的弹性趋近量δ的表达式，建立内圈的平衡方程；模拟套圈与滚动体的接触，建立滚动体接触载荷Q与弹性趋近量δ、最大接触应力ph的方程；联立各方程，运用迭代法进行各参数求解。本发明可实现风电机组主轴承接触应力、接触载荷、接触角、寿命等关键力学特性参数的精确求解，实现主轴承的快速选型以及传动链的精益设计，同时为主轴承的设计提供一定的理论支撑。

说明书

技术领域

本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种风电机组主轴承力学特性的计算方法、系统及介质。

背景技术

风电是一种无污染的绿色能源，开发利用风能，大力发展风力发电技术，对于解决全球性能源和环境污染具有重大的意义。在风电行业竞争日益激烈的今天，不同功率等级、叶轮直径、风速等级的整机产品层出不穷，要求整机厂商能快速完成风电机组迭代、优化设计，同时保证整机成本最优化。2MW+双馈机组中通过设置主轴承来承担风轮传递过来的大部分非扭矩的载荷(全部的推力载荷、绝大部分的风轮重力载荷)。主轴承作为风电机组传动系统的重要部件，其选型直接影响到自身的可靠性、低速轴系的重量及成本，主轴承的选型校核速度的快慢很大程度上影响了机组设计周期。

风电机组中常选用双列球面滚子轴承作为主轴承，具有自调心功能，可承受齿轮箱所要求的较大偏转角，并可承受较大的径向载荷及2个方向的重轴向载荷。但其校核方法一直由轴承供应商掌握，不对外公开，整机厂商掌握的数据很少，很大程度上制约了风电机组的设计开发周期，由于整机厂商对双列球面滚子轴承的了解不够深入，也导致传动链的降本效率低下，甚至无法入手。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够完成主轴承接触应力、寿命关键评价指标的计算，实现主轴承的快速选型以及风电机组传动链精益设计的风电机组主轴承力学特性的计算方法、系统、介质及设备。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种风电机组主轴承力学特性的计算方法，包括步骤：

S01、根据风轮载荷、传动链布局参数、仰角α，主轴重量M

S02、以轴向载荷F

S03、模拟套圈与滚动体的接触，建立滚动体接触载荷Q与弹性趋近量δ、最大接触应力p

S04、联立步骤S02和步骤S03中的方程，运用迭代法进行各参数求解。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤S01中，主轴承上的轴向载荷F

式中：[M

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤S02中，滚动体的弹性趋近量δ的表达式为：

式中：δ

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤S02中，所述内圈平衡方程表达式如下：

式中：Z为滚子数量；α

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤S03中，滚动体接触载荷Q与弹性趋近量δ、最大接触应力p的关系式为：

其中：

式中：b

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S04的具体过程为：

根据式(1)，求解出轴承的轴向载荷F

先赋初值δ

然后根据有限长一维接触问题的前提条件及Hertz线接触理论推导出各切片的接触半宽计算公式a

根据式(11)求解Q，再根据已求出的弹性趋近量δ求解轴向载荷F

求解完成后可输出主轴承接触应力关键评价指标及寿命，对比预设标准应力和预设标准寿命，可完成主轴承的校核。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤S03中，采用一维有限长接触理论模拟套圈与滚动体的接触。

本发明还公开了一种风电机组主轴承力学特性的计算系统，包括

第一模块，用于根据风轮载荷、传动链布局参数、仰角α，主轴重量M

第二模块，用于以轴向载荷F

第三模块，用于模拟套圈与滚动体的接触，建立滚动体接触载荷Q与弹性趋近量δ、最大接触应力p

第四模块，用于联立各方程，运用迭代法进行各参数求解。

本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的风电机组主轴承力学特性的计算方法的步骤。

本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的风电机组主轴承力学特性的计算方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的风电机组主轴承力学特性的计算方法，针对目前主轴承力学特性计算缺乏使用理论模型，主轴承校核依赖供应商，导致校核周期长，影响整机开发进度等问题，基于有限长接触理论，建立了风电机组双列球面滚子轴承力学特性计算模型，准确对主轴承的接触应力、接触载荷、接触角、寿命等关键力学特性参数的精确求解，能够实现主轴承的自主快速校核，为实现风电机组的精益设计、主轴承的设计提供一定理论支撑；使设计人员更加深入了解主轴承的承载特性，帮助设计人员进行风电机组主轴承的快速选型，实现风电机组传动链的精益设计，最终实现高可靠性、低成本风电机组的优化设计。

(2)本发明采用一维有限长接触理论来模拟分析，相对比球轴承的赫兹接触理论，可模拟滚动体的边缘接触应力，计算更加精确；相对比二维有限长接触理论，计算速度更快，更适用于工程计算。

(3)本发明在实现主轴承力学特性求解的基础上，加入了机组风轮载荷、传动链布局参数等，可用于研究整机载荷、布局参数对主轴承力学特性的影响，实现风电机组主轴承的快速选型、传动链的正向设计。

附图说明

图1为本发明的方法在实施例的流程图。

图2为本发明的主轴承的结构示意图。

图3为本发明的风电机组传动链布局参数示意图。

图4为风电机组主轴承滚动体接触载荷示意图。

图5为风电机组主轴承接触应力示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图5所示，本发明的风电机组主轴承力学特性的计算方法，包括步骤：

S01、根据风轮载荷、传动链布局参数、仰角α，主轴重量M

S02、以轴向载荷F

S03、模拟套圈与滚动体的接触，建立滚动体接触载荷Q与弹性趋近量δ、最大接触应力p

S04、联立步骤S02和步骤S03中的方程，运用迭代法进行各参数求解。

本发明的风电机组主轴承力学特性的计算方法，针对目前主轴承力学特性计算缺乏使用理论模型，主轴承校核依赖供应商，导致校核周期长，影响整机开发进度等问题，基于有限长接触理论，建立了风电机组双列球面滚子轴承力学特性计算模型，准确对主轴承的接触应力、接触载荷、接触角、寿命等关键力学特性参数的精确求解，能够实现主轴承的自主快速校核，为实现风电机组的精益设计、主轴承的设计提供一定理论支撑；使设计人员更加深入了解主轴承的承载特性，帮助设计人员进行风电机组主轴承的快速选型，实现风电机组传动链的精益设计，最终实现高可靠性、低成本风电机组的优化设计。

本实施例中，在步骤S01中，根据风轮载荷、传动链布局参数(包括A、B、C、D，如图3所示)、仰角α、主轴重量M

式中：[M

本实施例中，在步骤S02中，以轴向载荷F

式中：δ

其中内圈平衡方程表达式如下：

式中：Z为滚子数量；α

如图4所示，本实施例中，在步骤S03中，采用一维有限长接触理论模拟套圈与滚动体的接触，采用切片法，建立滚动体接触载荷Q与弹性趋近量δ、最大接触应力p的关系式，如下：

其中：

式中：b

本发明采用一维有限长接触理论来模拟分析，相对比球轴承的赫兹接触理论，可模拟滚动体的边缘接触应力，计算更加精确；相对比二维有限长接触理论，计算速度更快，更适用于工程计算。

本实施例中，在步骤S04中，对各方程进行求解，具体过程为：

根据式(1)，求解出轴承的轴向载荷F

由于δ、Q、p、D

先赋初值δ

然后根据有限长一维接触问题的前提条件及Hertz线接触理论可推导出各切片的接触半宽计算公式a

通过与接触半宽a

根据式(11)求解Q，再根据已求出的弹性趋近量δ求解轴向载荷F

以某双馈风电机组为研究对象，其中布局参数A＝2240mm，B＝470mm，C＝2740mm，D＝505mm，仰角α＝5°，主轴重量M

表1：风轮载荷

根据公式1可以计算出该载荷条件下，主轴承所承受的轴向载荷Fa、径向载荷Fr计算结果如表2所示：

表2：轴向载荷F

最后可以得到载荷作用下，滚动体的最大接触应力，如表3所示：

表3：各工况载荷下滚动体最大接触应力

根据ISO281:2007标准，轴承的基本额定寿命L

根据GL标准，疲劳工况下，主轴承的校核需满足以下条件：最大接触应力p

本发明还公开了一种风电机组主轴承力学特性的计算系统，包括

第一模块，用于根据风轮载荷、传动链布局参数、仰角α，主轴重量M

第二模块，用于以轴向载荷F

第三模块，用于模拟套圈与滚动体的接触，建立滚动体接触载荷Q与弹性趋近量δ、最大接触应力p

第四模块，用于联立上述方程，运用迭代法进行各参数求解。

本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的风电机组主轴承力学特性的计算方法的步骤。同时，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的风电机组主轴承力学特性的计算方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart MediaCard,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。