风电偏航轴承接触应力分析与疲劳寿命研究

【摘要】：风电产业的快速发展带动了相关配套轴承行业的发展，近年来国产风电轴承的质量有了很大的提高，但在承载能力、寿命及可靠性、材料及材料处理等方面与国外先进水平还有一定的差距。偏航轴承属于大型转盘轴承，是风力发电机组的关键部件，具有尺寸大、工作条件恶劣、受力状态复杂、要求寿命长等特点。本文以四点接触球式偏航轴承为研究对象，开展轴承的接触应力分析和疲劳寿命研究，为偏航轴承和相关转盘轴承的设计制造提供参考。 首先，采用有限元分析软件Abaqus对偏航轴承进行接触应力分析。建立了静力分析模型，求解了联合载荷作用下的应力场和位移场分布，得到了初始接触角、沟曲率半径系数和游隙变化下的应力分布规律。采用子模型技术建立了局部模型，求解了多种应力的精确分布，分析了轴承滚道最先发生疲劳破坏的具体位置和原因，通过材料属性的改变得到了感应淬火后硬化层的变化对轴承应力分布的影响规律。 然后，采用基于疲劳累积损伤理论的疲劳分析软件Fe-safe对偏航轴承进行疲劳寿命研究。确定了计算过程中相关参数的选取方法和数值，得到了滚道硬化层硬度深度变化对轴承寿命的影响规律，表明滚道硬化处理是提高偏航轴承疲劳寿命的有效手段，给出了热处理中的建议。探讨了在滚道中引入残余压应力的方法，得到了残余压应力变化对轴承寿命的影响规律，表明引入残余压应力也是提高偏航轴承寿命的有效途径，可按文中的分析进行尝试。 【关键词】：偏航轴承 接触应力 疲劳寿命 有限元 滚道硬化
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH133.3
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题背景及意义9
• 1.2 偏航轴承简介9-11
• 1.3 偏航轴承力学性能研究现状11-14
• 1.3.1 力学模型分析方法11-12
• 1.3.2 有限元分析方法12-14
• 1.4 偏航轴承疲劳寿命研究现状14-15
• 1.5 主要研究内容15-16
• 第2章 接触力学和疲劳寿命理论16-27
• 2.1 接触力学理论16-21
• 2.1.1 Hertz 接触理论16-18
• 2.1.2 最大静态切应力18-20
• 2.1.3 最大动态切应力20-21
• 2.1.4 Von Mises 等效应力21
• 2.2 疲劳寿命理论21-26
• 2.2.1 材料的疲劳性能及其描述21-23
• 2.2.2 疲劳累积损伤理论23-25
• 2.2.3 疲劳寿命分析方法25-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第3章 偏航轴承接触应力分析27-52
• 3.1 ABAQUS 软件介绍27
• 3.2 静力分析模型的建立27-34
• 3.2.1 三维模型说明27-29
• 3.2.2 材料属性与接触条件29-30
• 3.2.3 网格划分30-31
• 3.2.4 分析步设置31
• 3.2.5 边界条件和载荷31-32
• 3.2.6 计算结果分析32-34
• 3.3 结构参数对应力分布的影响34-39
• 3.3.1 初始接触角对应力分布的影响35-36
• 3.3.2 沟曲率半径系数对应力分布的影响36
• 3.3.3 游隙对应力分布的影响36-38
• 3.3.4 初始模型优化38-39
• 3.4 子模型精确应力分析39-47
• 3.4.1 子模型的建立39-41
• 3.4.2 表面接触应力分析41-43
• 3.4.3 Mises 等效应力分析43-44
• 3.4.4 最大切应力分析44-46
• 3.4.5 交变切应力分析46-47
• 3.5 滚道硬化对应力分布的影响47-50
• 3.5.1 滚道分层模型的建立47-48
• 3.5.2 应力结果分析48-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第4章 偏航轴承疲劳寿命研究52-68
• 4.1 FE-SAFE 软件介绍52-53
• 4.2 疲劳寿命计算过程53-61
• 4.2.1 材料疲劳性能参数53-54
• 4.2.2 应力集中系数54-55
• 4.2.3 疲劳算法的选择55-56
• 4.2.4 载荷谱的确定56-58
• 4.2.5 寿命计算结果58-61
• 4.3 滚道硬化对疲劳寿命的影响61-64
• 4.3.1 轴承材料硬度与强度的关系61-62
• 4.3.2 材料设置与寿命计算结果62-64
• 4.4 残余应力对疲劳寿命的影响64-66
• 4.4.1 残余压应力的作用与产生方法64-65
• 4.4.2 残余压应力设置与寿命计算结果65-66
• 4.5 本章小结66-68
• 结论68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果73-74
• 致谢74-75
• 作者简介75

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