一种改善风机变速箱行星轮轴承边缘磨损的修形方法

1.本发明属于滑动轴承领域，具体涉及一种改善风机变速箱行星轮轴承边缘磨损的修形方法。


背景技术：

2.风力发电机齿轮箱行星轮轴承一直以来均采用滚动轴承，而滚动轴承容易受到齿轮啮合振动等影响损坏，占风力发电机总故障的10％-20％。其次，随着风力发电机的发展，大功率风力发电机成为一个趋势，越来越大的体积给其运输和安装带来巨大困难，使风力发电机结构紧凑具有重要研究价值。与滚动轴承相比，滑动轴承不易受齿轮啮合振动的影响，有利于提高齿轮箱使用寿命，且需要的空间更小，能够大幅度降低风力发电机齿轮箱尺寸。但受垂直弯矩m造成齿轮箱行星轮轴承运行时轴承轴颈不对中，产生边缘载荷和磨损。
3.相关研究表明，轴向修形是改善风力发电机齿轮箱行星轮轴承边缘载荷和磨损的有效方法，目前并没有用于此的有效修形方法，阻碍了滑动轴承在风机齿轮箱行星轮中的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种改善风机变速箱行星轮轴承边缘磨损的修形方法，针对风力发电机齿轮箱中行星轮滑动轴承在低速重载工况下，由于轴承轴颈不对中而产生的边缘载荷及磨损现象，提出了一种修形方式来均匀载荷并消除额定工况下磨损。
5.本发明通过以下技术方案实现：
6.一种改善风机变速箱行星轮轴承边缘磨损的修形方法，该方法利用四次曲线对轴承内表面进行修形，根据修形后油膜展开侧视图对四次曲线进行调整，最终获得适合该轴承的四次修形曲线。
7.本发明进一步的改进在于，根据轴承载荷条件猜测修形曲线，通过多个参考点拟合成四次修形曲线f(z)，如下：
8.f(z)＝akzk a3z3 a2z2 a1z a0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
9.本发明进一步的改进在于，油膜厚度使用考虑了轴承与轴颈对准角度和轴承轴颈弹性变形的影响，将猜测的四次修形曲线f(z)带入油膜计算公式，公式如下：
[0010][0011]
其中c是轴承半径间隙，e是轴承与轴颈之间的偏心率，φ是周向角度，γ是姿态角，δh为轴承轴颈弹性变形量之差，通过有限元方法求得。
[0012]
本发明进一步的改进在于，轴承轴颈弹性变形量之差有限元计算所需油膜压力分布，采用数值计算方法求解考虑了表面粗糙度对油膜流体流动影响的广义雷诺方程和能量方程。
[0013]
本发明进一步的改进在于，广义雷诺方程如下式所示：
[0014][0015]
式中r为轴承半径，φ是周向角度；y为轴向坐标；u为轴颈线速度；ρ为润滑油密度；p为油膜压力；a为润滑油密度比；rq为均方根表面粗糙度；h为油膜厚度；为压力流因子，表示粗糙表面油膜平均压力流与光滑表面压力流之比；为剪切流因子，表示因表面相对滑动而由粗糙度的谷峰所带走的附加输送流量；η为润滑油黏度。
[0016]
本发明进一步的改进在于，油膜能量方程如下所示：
[0017][0018]
式中c
p
为润滑油比热容，k为润滑油导热系数；
[0019]
本发明进一步的改进在于，黏温关系如下所示：
[0020][0021]
其中η0为参考温度t0下参考粘度。
[0022]
本发明进一步的改进在于，获得油膜厚度分布展开图，观察油膜厚度分布展开图侧视图，若油膜形状呈外凸状态，则增加油膜厚度较小的部分修形量；若油膜形状呈内凹状态，则减小油膜厚度较大的部分修形量。
[0023]
本发明进一步的改进在于，调整四次修形曲线后再次进行计算，直至油膜形状接近一条直线。
[0024]
本发明至少具有如下有益的技术效果：
[0025]
1)本发明提供了一种改善风机变速箱行星轮轴承边缘磨损的修形方法，通过对轴承表面进行四次修形，解决了风力发电机齿轮箱行星轮轴承运行时的边缘载荷问题，均匀了轴承运行时载荷分布，有效减少了轴承磨损问题，使轴承寿命显著提高。
[0026]
2)本发明的修形方式具有简单高效的优点，只需要通过计算对参考点进行简单调整，便可快速直观的获得有效修形曲线，省去了繁琐的计算步骤，更加高效。
附图说明
[0027]
图1为轴承轴颈不对中示意图。
[0028]
图2为轴承修形示意图。
[0029]
图3为修形曲线图。
[0030]
图4为f1(z)修形后油膜厚度分布展开图。
[0031]
图5为f2(z)修形后油膜厚度分布展开图。
[0032]
图6为f3(z)修形后油膜厚度分布展开图。
具体实施方式
[0033]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例
所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0034]
由于风机齿轮箱中齿轮为斜齿轮，行星轮运行时不仅受到垂直载荷，还受到垂直弯矩作用，导致轴承轴颈产生不对中，如图1所示，形成高边缘载荷，易产生磨损。如图2所示，通过修形增大轴承外缘径向间隙，可以均匀载荷，防止磨损。本发明提供了一种改善风机变速箱行星轮轴承边缘磨损的修形方法。
[0035]
根据轴承载荷条件猜测四次修形曲线，通过调整参考点拟合出四次修形曲线f(z)，
[0036]
f(z)＝a4z4 a3z3 a2z2 a1z a0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0037]
将修形曲线带入油膜厚度方程，其中油膜厚度的计算考虑了轴承与轴颈对准角度和轴承轴颈弹性变形的影响，将猜测的四次修形曲线f(z)带入油膜计算公式，公式如下：
[0038][0039]
其中c是轴承半径间隙，e是轴承与轴颈之间的偏心率，φ是周向角度，γ是姿态角，δh为轴承轴颈弹性变形量之差，通过有限元方法求得。
[0040]
轴承轴颈弹性变形量之差有限元计算所需油膜压力分布，采用数值计算方法求解考虑了表面粗糙度对油膜流体流动影响的广义雷诺方程和能量方程。
[0041]
广义雷诺方程如下式所示：
[0042][0043]
式中r为轴承半径，φ是周向角度；y为轴向坐标；u为轴颈线速度；ρ为润滑油密度；p为油膜压力；a为润滑油密度比；rq为均方根表面粗糙度；h为油膜厚度；为压力流因子，表示粗糙表面油膜平均压力流与光滑表面压力流之比；为剪切流因子，表示因表面相对滑动而由粗糙度的谷峰所带走的附加输送流量；η为润滑油黏度。
[0044]
油膜能量方程如下所示：
[0045][0046]
式中c
p
为润滑油比热容，k为润滑油导热系数。
[0047]
黏温关系如下所示：
[0048][0049]
其中η0为参考温度t0下参考粘度。
[0050]
实施例：
[0051]
本实施例中，选取载荷900kn、转速30r/min的运行工况，行星轮轴承具体参数如下：公称直径250mm，节圆直径499mm，轴承宽度300mm，瓦块包角340
°
，径向间隙0.069mm，轴颈表面均方根粗糙度值为r
q1
＝0.4μm，轴瓦表面均方根粗糙度值为r
q2
＝1μm。润滑剂类型
vg320，供油温度60℃。轴瓦材料为铜合金，轴颈和行星轮材料为结构钢。
[0052]
首先根据轴承参数及工况猜测四次修形曲线，如图3曲线i所示，图中仅为修形曲线的一半，修形曲线关于x轴对称。
[0053]
根据轴承载荷条件猜测拟合出四次修形曲线f1(z)，
[0054]
f1(z)＝2.59
×
10-12z4-2.35
×
10-9
z3 1.28
×
10-6
z2 2.02
×
10-6z[0055]
将修形曲线带入油膜厚度方程，其中油膜厚度的计算考虑了轴承与轴颈对准角度和轴承轴颈弹性变形的影响，将猜测的四次修形曲线f1(z)带入油膜计算公式，公式如下：
[0056][0057]
其中c是轴承半径间隙，e是轴承与轴颈之间的偏心率，φ是周向角度，γ是姿态角，δh为轴承轴颈弹性变形量之差，通过有限元方法求得。
[0058]
轴承轴颈弹性变形量之差有限元计算所需油膜压力分布，采用数值计算方法求解考虑了表面粗糙度对油膜流体流动影响的广义雷诺方程和能量方程。
[0059]
广义雷诺方程如下式所示：
[0060][0061]
式中r为轴承半径，φ是周向角度；y为轴向坐标；u为轴颈线速度；ρ为润滑油密度；p为油膜压力；a为润滑油密度比；rq为均方根表面粗糙度；h为油膜厚度；为压力流因子，表示粗糙表面油膜平均压力流与光滑表面压力流之比；为剪切流因子，表示因表面相对滑动而由粗糙度的谷峰所带走的附加输送流量；η为润滑油黏度。
[0062]
油膜能量方程如下所示：
[0063][0064]
式中c
p
为润滑油比热容，k为润滑油导热系数。
[0065]
黏温关系如下所示：
[0066][0067]
其中η0为参考温度t0下参考粘度。
[0068]
求解获得油膜厚度分布展开图如图4所示，油膜形状呈外凸状态，适当调整参考点，增加外缘修形深度，获得新的四次修形曲线f2(z)，如图3曲线ⅱ所示。
[0069]
f2(z)＝7.21
×
10-11z4-5.58
×
10-9
z3 2.21
×
10-6
z2 2.17
×
10-5z[0070]
重复上述计算步骤，获得新的油膜厚度分布展开图，如图5所示。图中油膜形状呈外凸状态，适当调整参考点，减小外缘修形深度获得新的四次修形曲线f3(z)，如图3曲线ⅲ所示。
[0071]
f3(z)＝-2.36
×
10-11
z4 9.49
×
10-9
z3 1.61
×
10-6
z2 2.59
×
10-5z[0072]
重复上述计算步骤，新的油膜厚度分布展开图如图6所示，油膜形状近似一条直线，说明载荷分布均匀，该四次曲线适合本轴承。
[0073]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。