兆瓦级风机主轴承结构优化设计研究

发布时间：2020-09-02 20:00

　　 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%。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM315
【部分图文】：

２双列圆锥滚子轴承设计理论基础逡逑双列圆锥滚子轴承可以看作是单列圆锥滚子轴承的成对使用，根据不同的组合方式逡逑可以分成ＴＤＩ型和ＴＤＯ型两种结构类型，如图２．１所示。ＴＤＩ型双列圆锥滚子轴承类逡逑似于一对单列圆锥滚子轴承大端相对安装，即面对面安装，同理ＴＤ0型双列圆锥滚子逡逑轴承可看成一对单列圆锥滚子轴承背靠背安装。逡逑ｆ－Ｉ逡逑ＴＤＩ逦ＴＤＯ逡逑图２．１两种不同类型的双列圆锥滚子轴承逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｔｗｏ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｄｏｕｂｌｅ逡逑ｒｏｗ邋ｔａｐｅｒｅｄ邋ｒｏｌｌｅｒ邋ｂｅａｒｉｎｇｓ逡逑因此，对于ＴＤＯ型双列圆锥滚子轴承，其性能相似于一对背靠背安装的单列圆锥逡逑滚子轴承，这种类型的双列圆锥滚子轴承安装拆卸比较方便，且刚性好，适合用于交变逡逑载荷工况下使用。而ＴＤＩ的工作性能类似于面对面安装的单列圆锥滚子轴承，与前者相逡逑比它的安装空间小但刚性稍差，适用于中等载荷定位端。对于风力发电机，风载的变化逡逑直接引起主轴系所受的载荷的变化，同时希望轴承具有良好的刚度以承受较大的风载。逡逑因此，在风机主轴系中一般使用ＴＤＯ型双列圆锥滚子轴承。在轴承设计中轴承供应商逡逑一般会提供轴承的几何结构图、基本额定动载荷等轴承基本参数

顾名思义圆锥滚子轴承的滚子具有一定的锥度并且其中心线与轴承轴线并不平行而逡逑有一定夹角，正因为这样的设计使得双列圆锥滚子轴承具有了良好得轴向承载能力。双逡逑列圆锥滚子轴承详细结构图如图２．２所示。逡逑＼＆逡逑■邋Ｂｉ邋■逡逑图２．２双列圆锥滚子轴承几何结构逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｄｏｕｂｌｅ邋ｒｏｗ邋ｔａｐｅｒｅｄ邋ｒｏｌｌｅｒ邋ｂｅａｒｉｎｇ邋ｇｅｏｍｅｔｒｙ逡逑如图所示，ｄ为轴承内径，ｍｍ；邋Ｄ为轴承外径，ｍｍ；逦为轴承内圈宽度，ｍｍ；逡逑Ｃｉ为轴承为外圈宽度，ｍｍ；邋ＺＶｅ为滚子平均直径，ｍｍ；邋Ｚ）ｗｉ为滚子大端直径，ｍｍ；逡逑，２为滚子小端直径，ｍｍ；邋１胃为滚子有效接触长度，ｍｍ；邋ａ为滚子接触角，°邋；供为逡逑滚子半锥角，°邋；为轴承节圆直径，ｍｍ。节圆直径，并非轴承的设计参数，但逡逑对计算轴承的相关性能参数极其重要，可通过公式２．１推导出。逡逑ｓｉｎ（ｐＫ逦（２．１）逡逑ｔａｘｕｐ逡逑除了以上的参数外，滚子个数ｚ也是轴承基本结构中的一个重要参数。以上是选用逡逑和校核轴承的主要参数。除此之外需要设计出一个完整的轴承还要确定轴承内外圈参逡逑数，如图２．３所示，＆为内圈最小壁厚，ｍｍ；邋＆为外圈最小壁厚，ｍｍ；邋为内圈大挡逡逑边宽度

２．１．２双列圆锥滚子轴承的主曲率逡逑主曲率能够反映两个接触面的接触情况，影响着滚子与滚道的接触应力与变形，是逡逑轴承理论计算的一个重要参数。如图２．４所示，将位于上方的物体记做物体Ｉ，位于下方逡逑－１０邋－逡逑

【参考文献】

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本文编号：2811038