张森林+刘红
摘 要：本文详细阐述了三排滚子轴承的结构、功能和特点以及其在风电机组中作为主轴轴承的使用情况，介绍了三排滚子轴承的内圈、外圈、滚动体和保持架的材料选择和热处理的工艺要求，并采用有限元的软件对该轴承的滚道强度和连接螺栓组做进一步的计算分析，采用轴承的计算软件对轴承的寿命进行校核和计算，从而指导和完善风电机组主轴轴承的设计选型。
关键词：风力发电机组 载荷计算 静强度 疲劳寿命 主轴轴承 三排滚子轴承 有限元分析
中图分类号：TK22 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0080-03
目前，在大功率风电机组的设计中，主传动链的设计至关重要。在主传动链的设计中，轴承的选型设计是否正确往往决定了整个风电机组设计的成败。因此，在大型风电机组的设计中，我们往往都需要先确定整个机组传动链的总体结构。一般来说，对于较大型的风电机组，传动系统的设计主要采用直驱方案或者是带有齿轮箱的半直驱的方案，直驱机组的方案成本相对较高，因此我们一般选择带有齿轮箱的半直驱的方案。因此，必须明确主传动系统中主轴承的选型和设计方案。
1 三排滚子轴承的结构特点
三排滚子轴承具有三个座圈，滚道各自分开，使得每一排滚柱的负载都能确切地加以确定，能够同时承受各种载荷。三排滚子轴承的优点是轴向力由轴向滚子承受，径向力由径向滚子承受，两者互不干涉；滚道易于加工，加工精度可以达到设计理想值；如果安装预紧条件不变，轴承设计制造过程可以确定准确的游隙值，安装后可保证轴承正常工作，同时可保证批量生产的一致性；保持架结构相对简单，加工难度小。缺点是滚子与保持架之间摩擦生热，使轴承温度升高，缩短了润滑油脂的使用寿命。因此，只要在使用中采用合理的散热方式，采用三排滚子轴承还是比较理想的选择。
2 三排滚子轴承的主要应用
三排滚子轴承可以广泛应用于各种工程机械、港口机械、采掘机械、建筑工程机械、灌装机和导弹发射架等大型回转装置上。三排滚子轴承也可用于风电机组的偏航系统和主传动系统。三排滚子轴承在国外2MW风力发电机组的主传动系统中已经成功使用过。在国内5MW风力发电机组主传动系统中也成功应用过。因此把三排滚子轴承应用到大型风电机组的主传动系统上是可行的。这样能使机组的结构紧凑，机舱的外形尺寸小，轴承的安装方便。和双列圆锥滚子轴承相比，不存在轴承游隙难以控制的问题和轴承安装的问题。
3 三排滚子轴承的设计计算
3.1 三排滚子轴承材料
三排滚子轴承内外圈材料一般选用专用定制材质42CrNiMo锻件，经过调质处理，材料硬度为HB280以上，具有很好的芯部硬度及韧性、很好的热处理调质特性以及淬硬性、淬透性。轴承套圈滚道表面通过中频感应淬火处理，其良好的机械性能满足轴承在使用中的要求。滚动体材质一般为GCr15SiMn整体淬火处理，使滚动体具有很高的抗压性、耐磨性，以满足主轴承重载下稳定的使用性能。
3.2 三排滾子轴承滚道计算
根据主轴承受力的工况对主轴承进行滚道安全校核。考虑到主轴承安装在一个刚性结构上，且安装面的状态符合主轴承安装要求，润滑要求的情况下，对滚道进行静强度安全校核，以轴向力极限状态工况考虑，见表1。
3.3 三排滚子轴承螺栓组计算
3.3.1 有限元模型建立
主轴轴承与主机架螺栓连接静强度分析采用Pro/E建立结构模型，再导入至有限元软件中执行创建有限元模型和强度分析。
主轴轴承与主机架之间的连接螺栓以梁单元建立模型，梁单元截面积以实际应力面积计。主轴轴承、主机架、垫圈采用20节点6面体单元分网。在轮毂中心处建立节点并分工况施加轮毂中心集中载荷，该节点与轴承内圈前端面节点通过MPC连接；轴承内圈与轴承外圈1/2、轴承外圈2与主机架分别建立标准接触对，摩擦系数取0.2。在塔筒下端截面施加全位移约束。有限元模型见图1、图2。
3.3.2 计算结果
由有限元软件计算得到的各极限工况下螺栓组的最大等效应力见表2。
3.3.3 螺栓组计算结论
在1.3wind11.3dna30工况下，主轴轴承与主机架连接螺栓组出现最大等效应力，数值为709.0MPa；主轴轴承与主机架的接触状态及接触压力良好。
4 结语
本文通过对三排滚子轴承的结构、功能、特点的分析和使用情况并通过对三排滚子轴承滚道、螺栓组、轴承寿命等几个方面的计算分析，说明三排滚子轴承在大型风电机组的设计中，作为主传动系统的轴承满足规范的设计要求，可以应用于大型风电机组主轴轴承。采取必要的冷却和散热的措施，避免三排滚子轴承的发热，就可以更好地利用三排滚子轴承。
参考文献
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