基于RomaxCLOUD的風電齒輪箱軸承設計及試驗驗證

趙圣卿，陳原，牛青波，李燕春，陳懷剛

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039）

風力發電機增速齒輪箱是連接風葉主軸和發電機的重要部件，要求壽命長、可靠性高、運轉平穩、傳動效率高。隨風機功率的提高，風力發電機增速齒輪箱在滿足轉速和載荷要求前提下，還要求體積小、重量輕［1］。軸承是增速齒輪箱的關鍵零件之一，有必要對其進行系統的研究。以1.5 MW風力發電機組齒輪箱高速軸支承軸承NU228為例，基于RomaxCLOUD軸承設計與仿真分析系統，對其主參數、徑向游隙、滾子凸度、潤滑狀況進行設計分析，并模擬使用工況搭建試驗臺架進行試驗驗證。

1 RomaxCLOUD系統簡介

RomaxCLOUD軸承設計與仿真分析系統是洛陽軸研科技股份有限公司與英國Romax科技有限公司共同研發并且擁有完全自主知識產權的高級軸承設計仿真分析云服務協同創新平臺［2］。其內置了圓錐滾子軸承、深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承共5種軸承數據庫，以及軸承的尺寸公差、形位公差標準數據庫，可實現標準和非標軸承的參數化設計。RomaxCLOUD是專業的軸承性能仿真工具，以RomaxDesigner為仿真內核，基于經典的軸承分析理論和國際標準，考慮系統對軸承的影響，仿真計算更加精確。可通過RomaxCLOUD對軸承的剛度、壽命、載荷分布、位移、接觸應力、潤滑油膜分布等進行分析計算。

2 設計輸入及系統建模

1.5MW風力發電機組齒輪箱傳動系統如圖1所示，NU228軸承位于高速軸輸出軸端。軸承外形尺寸為φ140 mm×φ250 mm×42 mm，滾子組節圓直徑為169 mm。工況條件如下：軸承內圈旋轉，徑向載荷為29.546 kN，工作溫度不大于100℃，油浴潤滑，潤滑油牌號為 MOBILGEARXMPSHC320。根據設計參數，通過RomaxCLOUD完成軸承主參數的優化設計、軸系統建模分析、結構參數的確定、軸承系統性校驗。齒輪箱高速軸-軸系統模型如圖2所示。

圖1 風電齒輪箱傳動系統簡圖Fig.1 Diagram of wind turbine gearbox transmission system

圖2 齒輪箱高速軸-軸系統模型Fig.2 High speed shaft-shaft system model of gear box

3 軸承設計

3.1 主參數優化

常規設計通過幾何關系得到滾子直徑Dw、滾子長度Lw、滾子組節圓直徑Dpw、滾子數Z，屬通用化設計，針對性不強。通過RomaxCLOUD軸承設計分析系統，針對實際工況，以額定動載荷為優化目標，自動調用內部優化算法實現主參數優化設計，并可通過三維模型判斷軸承結構設計是否可靠，2種方法設計的主參數見表1。

表1 主參數Tab.1 Main parameters

2種方法設計得到的滾動軸承的基本額定動靜載荷見表2，RomaxCLOUD設計的基本額定動載荷提高了10%，基本額定靜載荷提高了8%。通過分析可知，通過RomaxCLOUD設計系統優化主參數，滾子組節圓直徑增大、滾子直徑增大、滾子數增加，故軸承承載能力提高。

表2 額定載荷Tab.2 Rated load

3.2 其他參數確定

確定主參數后，除徑向游隙、滾子凸度外，其余參數均可通過幾何關系求得。RomaxCLOUD系統內置了徑向游隙、凸度設計及分析功能，可對其進行優化設計。

3.2.1 徑向游隙

徑向游隙對軸承的載荷分布、壽命、溫升、摩擦力矩及振動和噪聲影響較大，通過對實際工況進行分析可得到徑向游隙。在RomaxCLOUD建立的軸系統中輸入軸承原始徑向游隙、軸和座孔公差、溫度等，得出相應的滾子載荷如圖3所示（內外滾道接觸載荷曲線重合，每個點代表1個滾子，不受載的滾子在坐標原點重合）。軸承工作游隙對滾子載荷分布會有影響，最大滾子載荷隨工作游隙的變化如圖4所示，當工作游隙為-0.011 mm，滾子載荷最小，載荷分布均勻。考慮游隙對軸承摩擦力矩、溫升等性能的影響，可適當增加工作游隙到0，進而反推出軸承的原始游隙為 0.060～0.10 mm。通過該方法選定軸承游隙，能夠確保軸承載荷分布均勻，降低最大滾子載荷，提高承載能力。由圖4可知，當軸承原始游隙為0.10 mm時，工作游隙為0.05mm，最大滾子載荷為8 558 N，該值可作為滾子凸度設計的輸入值。

圖3 滾子載荷分布Fig.3 Roller load distribution

圖4 最大滾動體載荷隨工作游隙的變化Fig.4 Variation of the maximum roller load with working clearance

3.2.2 滾子凸度

風電齒輪箱圓柱滾子軸承設計時應確定合理的滾子凸型及凸度，從而降低滾子和內外圈接觸引起的邊緣應力集中［3］，提高承載能力和使用壽命。凸度設計原則：輕載時，滾子與滾道之間具有合理的有效接觸長度；重載時，接觸區不產生應力集中。RomaxCLOUD系統提供圓弧修型、對數素線2種凸型設計方案。經驗表明，對數素線凸型的滾子可有效減少應力集中，降低滾子與滾道之間的接觸應力，故選擇對數素線凸型。

通過RomaxCLOUD系統得到NU228軸承滾子對數凸度曲線輪廓如圖5所示，滾子凸度分別為5，9，13μm時，滾子與內、外圈的接觸應力如圖6所示。凸度量較小（5μm）時，滾子端部會出現應力集中；凸度量較大（13μm）時，應力集中消失，但滾子有效接觸長度減小；當凸度量為9μm時，滾子接觸應力沿滾子素線方向均勻分布。接觸應力隨凸度值的變化如圖7所示，滾子與內圈的接觸應力大于外圈，滾子凸度為8～10μm時，接觸應力較小，且分布均勻，故滾子凸度量選為8～10μm。

圖5 滾子對數凸度曲線輪廓Fig.5 Log convex profile of roller

圖6 滾子凸度為5，9，13μm時，沿滾子素線方向滾子與內、外圈的接觸應力Fig.6 Roller convexity volue is 5，9，13μm，the distribution of the contact stress between the roller and the inner and outer raceway along the roller generatrin.

圖7 接觸應力隨凸度值的變化Fig.7 Variation of contact stress with convexity value

3.3 潤滑狀況分析

潤滑是影響軸承壽命的重要因素，在RomaxCLOUD系統中設置潤滑油參數，并對油膜厚度進行精確計算，以驗證在特定工況下潤滑油牌號選擇及軸承設計的合理性。內外圈接觸區油膜厚度曲線如圖8所示，在角位置90°附近，即承載最大滾子處的油膜厚度較薄。經分析計算，NU228軸承油膜厚度及相關參數見表3，該軸承最小油膜厚為0.8μm，油膜參數為3.35（當油膜厚度參數λ＞3時，可明顯提高軸承壽命［4］），能夠滿足設計要求，通過對潤滑分析可進一步驗證軸承設計的合理性。

圖8 油膜厚度曲線Fig.8 Curve of oil film thickness

表3 最小油膜厚度及相關參數Tab.3 Minimum film thickness and related parameters

4 試驗驗證

風力發電機齒輪箱高速軸支承軸承基本額定壽命要求達到30 000 h，臺架性能試驗要求滿載試驗時間不少于1 h［5］，故設定試驗時間為基本額定壽命的5‰。按照NU228軸承的實際工況設定試驗軸承的轉速、載荷、潤滑等條件，試驗裝置如圖9所示，試驗軸系為簡支梁結構，試驗4套軸承，陪試軸承16028起軸向定位作用，驅動軸通過方口剛性連接帶動試驗主軸高速運轉，徑向載荷由徑向加載活塞通過承載套對中間2套軸承進行加載，進而傳遞給兩側試驗軸承，試驗軸承采用油浴潤滑。

圖9 試驗裝置Fig.9 Test equipment

記錄外圈溫度、振動加速度等參數，得到外圈溫度、振動加速度曲線分別如圖10、圖11所示。可以看出，隨試驗進行外圈溫度不高于95℃，主機振動加速度趨于平穩，滿足齒輪箱對軸承溫升、振動性能的要求［6］。

圖10 溫度曲線Fig.10 Curve of temperature

圖11 振動加速度曲線Fig.11 Curve of vibration acceleration

5 結論

基于RomaxCLOUD建立齒輪箱高速軸-軸系統模型，對NU228軸承主參數、主要結構參數進行設計分析，確定了主參數、最佳徑向游隙范圍及滾子凸度值，顯著提高了軸承承載能力及使用性能，并通過潤滑分析驗證了潤滑油選擇及軸承設計的合理性。經臺架性能試驗后，各項性能指標正常，滿足設計要求。驗證了通過RomaxCLOUD系統優化設計主參數及相關參數的合理性，為風電齒輪箱軸承的研究提供了參考。