大型风力发电机组变桨轴承滚道分析与优化

发布时间：2020-11-18 18:16

　　 变桨轴承是风力发电机组变桨系统的关键零部件,其可靠性与风力发电机的正常运行有着直接关系。论文以接触强度分析理论和疲劳寿命理论为基础,首先建立变桨轴承滚道接触载荷有限元分析模型,研究滚道接触载荷分布和滚道实际接触角分布;然后建立变桨轴承滚道应力有限元分析模型,研究滚道接触应力、切应力和等效应力的分布;最后以最大接触应力最小和轴承疲劳寿命最长为目标对变桨轴承结构参数进行优化。本文的研究方法为风力发电机组变桨轴承的设计、校核和优化提供了依据,具有一定的工程应用价值。论文的主要研究内容包括:(1)风力发电机组变桨轴承理论的研究。建立了内圈固定外圈旋转的变桨轴承滚道接触载荷数值计算模型,给出了轴承滚道最大接触应力、最大切应力和最大等效应力的计算方法。(2)风力发电机组变桨轴承滚道接触载荷有限元分析建模技术的研究。建立了轴承滚道接触载荷分析简化模型,探讨了轮毂有无对滚道接触载荷分析的影响。(3)风力发电机组变桨轴承滚道应力有限元分析建模技术的研究。建立了轴承滚道应力分析有限元模型,探讨了钢球与螺栓孔相对位置和螺栓有无对滚道应力分析的影响,提出了一种新的变桨轴承滚道应力有限元分析建模方式。(4)风力发电机组变桨轴承结构参数与滚道应力之间关系的研究。建立了不同结构参数的轴承滚道应力分析有限元模型,分析了轴承初始接触角、沟曲率半径系数、滚道排距、钢球直径与数量对最大滚道接触应力、最大切应力和最大等效应力的影响。(5)风力发电机组变桨轴承结构参数优化的研究。基于遗传算法以滚道最大接触应力最小和轴承疲劳寿命最长为目标对轴承结构参数进行了优化。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM315;TH133.3
【部分图文】：

图 1.2 2008 年-2018 年全国装机容量Figure 1.2 The national installed capacity from 2008 to 2018机组主要由塔架、偏航系统、发电机、制动系统、传动系轮等组成[5]，其结构示意图如图 1.3 所示。目前，风力发电分为定桨距调节（即失速调节）和变桨调节[6-7]。定桨调节装完成后，风力发电机运行过程中，桨叶的桨距角不再发与定桨调节相反，桨叶安装完成后，风力发电机运行过程实际风况改变桨距角，调节风能获取量，确保风力发电机定功率。风力发电机变桨系统主要包括变桨轴承、变桨驱承作为风力发电机变桨系统的关键部件，其可靠性与风力着直接关系，因此对风力发电机变桨轴承的研究具有重要年份全国累计装机容量 全国新增装机容量3214

有单排型和多排型两种[10]，图 1.4 (a)、图 1.4 (c)为单排型，图1.4 (b)、图 1.4 (d)为多排型。双排型变桨轴承因其承载能力强，结构紧凑等特点常被应用于兆瓦级风力发电机组[11]，故本文所研究的轴承为双排型变桨轴承,其内圈与轮毂连接，外圈与桨叶联结，驱动电机小齿轮与变桨轴承外齿圈啮合，工作时驱动电机带动轴承外圈旋转使桨叶转动，从而达到变桨的目的。(a)单排内齿 (b)双排内齿(c)单排外齿 (d)双排外齿图 1.4 变桨轴承种类Figure 1.4 The types of pitch bearing变桨轴承存在多种失效形式，包括疲劳破坏、塑性变形、滚道磨损、套圈断裂等[12~14]。疲劳破坏是指轴承次表面在交变切应力作用下产生裂纹，载荷作用下该裂纹向外扩展，从而导致接触表面剥落。塑性变形是指倾覆力矩、轴向载荷和径向载荷在轴承上分布不好，从而产生塑性变形。滚道磨损是指润滑剂内的杂质、粉尘、未能过滤的磨料及桨叶颤动导致变桨轴承产生麻点和凹坑。套圈断裂是指当轴承存在设计制造缺陷或过载时，载荷作用下导致轴承套圈断裂。其中滚道磨损是变桨轴承主要的失效形式[15], 而磨损失效的主要原因是过大的接触应力[16]

载荷工况复杂，安装和维修极不针对滚道应力的理论分析对提高其可靠性和载荷作用下，变桨轴承钢球与滚道之间仅形接触。本章主要介绍变桨轴承滚道接触应力，为后文有限元模型计算与优化提供理论支处理接触问题时假设接触面相对于物体表面忽略接触面间的摩擦、接触载荷垂直作用于比相互接触物体极小时的接触分析[30]，因此情况下，钢球与滚道之间的接触为点接触，其用下，变桨轴承钢球与滚道之间的点接触扩展椭圆如图 2.2 所示。
【参考文献】

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本文编号：2889038