兆瓦级风电变桨轴承摩擦力矩研究

【摘要】：随着化石能源的日益枯竭，清洁能源已经成为各国发展的重点，风能作为一种清洁能越来越受到各国的重视，而风力发电机能够将风能转化为电能，风电产业前景十分光明。风力发电机工作环境恶劣，要求可靠性极高，变桨轴承是风力发电机的核心部件之一，变桨轴承的好坏直接影响风力发电机的可靠性，因此深入开展变桨轴承的研究对提高我国风电轴承制造水平具有十分重要的意义。 本文围绕变桨轴承的摩擦力矩做了以下研究工作：首先对变桨轴承的受力情况进行了研究，分析了变桨轴承的受力状况；其次建立了联合外力作用下的变桨轴承内圈平衡数值模型，利用有限元软件对变桨轴承的载荷分布进行了计算，分析了变桨轴承沟道结构参数、螺栓预紧力以及模拟工况条件对其载荷分布的影响；再次对变桨轴承的摩擦力矩进行了分析计算，分析了外部载荷和沟道结构参数对变桨轴承摩擦力矩的影响；最后对变桨轴承的摩擦力矩进行了试验测量，分别测量了空载状态和加载状态下的摩擦力矩，并同理论计算做了对比。 研究结果表明：变桨轴承的外部载荷有周期性和随机性的特点，使得其表现在变桨轴承上的轴向力、径向力和倾覆力矩也呈现出周期性和随机性，其中倾覆力矩作用最大。适当增大变桨轴承的初始接触角和减小沟曲率半径系数有利于提高变桨轴承的承载能力；游隙对载荷分布的影响较为复杂，变桨轴承钢球与沟道间的最大载荷值会随着游隙的增加先减小后增大，所以取适当的负游隙有利于提高变桨轴承的承载能力；螺栓预紧力的作用同游隙对载荷分布的影响相似，合适的螺栓预紧力能够提高变桨轴承的承载能力；模拟工况条件下，变桨轴承会发生扭转变形，载荷分布呈现一定的不规则性。增大变桨轴承的初始接触角，减小沟曲率半径系数以及增大游隙都能够减小变桨轴承钢球和沟道间的摩擦力矩，其中，差动滑动和自旋滑动引起的摩擦力矩的变化规律和钢球与沟道间的摩擦力矩变化规律相一致，弹性滞后引起的摩擦力矩在沟曲率半径系数不同时，变化规律同钢球与沟道间的摩擦力矩变化规律相反。试验表明，在未安装密封和填充润滑脂的情况下，变桨轴承在安装双排钢球时的摩擦力矩是安装单排钢球时的1.5倍左右；密封圈和润滑脂引起的摩擦力矩是变桨轴承摩擦力矩的重要来源，而钢球和沟道间的摩擦力矩以及保持架引起的摩擦力矩相对比较小；摩擦力矩理论计算模型计算结果和试验结果相近，理论模型能够满足工程应用。 【关键词】：变桨轴承 载荷分布 有限元分析 摩擦力矩
【学位授予单位】：河南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH133.3;TM315
【目录】：

• 摘要2-4
• ABSTRACT4-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 研究背景9
• 1.2 国内外发展现状和研究进展9-11
• 1.3 变桨轴承概述11-13
• 1.3.1 变桨轴承的主要特点12-13
• 1.4 课题研究内容13-14
• 1.5 课题来源14-15
• 第2章 变桨轴承的受力分析15-23
• 2.1 引言15
• 2.2 变桨轴承外部载荷特点15
• 2.3 变桨轴承外部载荷计算15-20
• 2.4 变桨轴承外部载荷的软件计算20-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第3章 变桨轴承的载荷分布23-45
• 3.1 引言23
• 3.2 最大接触载荷的计算23-26
• 3.2.1 经验公式23-24
• 3.2.2 赫兹接触理论24
• 3.2.3 接触应力和接触变形24-26
• 3.3 变桨轴承载荷分布的理论计算26-29
• 3.4 变桨轴承有限元模型的建立29-34
• 3.4.1 有限元分析概述29
• 3.4.2 模型的建立和简化29-31
• 3.4.3 网格的划分和接触的设置31-32
• 3.4.4 约束和载荷的施加32-33
• 3.4.5 计算结果分析33-34
• 3.4.6 计算结果验证34
• 3.5 变桨轴承结构参数对载荷分布的影响34-40
• 3.5.1 初始接触角对载荷分布的影响35-37
• 3.5.2 沟曲率半径系数对载荷分布的影响37-38
• 3.5.3 游隙对载荷分布的影响38-40
• 3.6 螺栓预紧力对载荷分布的影响40-43
• 3.6.1 有限元模型的建立40-41
• 3.6.2 无螺栓预紧力的载荷分布41-42
• 3.6.3 有螺栓预紧力的载荷分布42-43
• 3.7 模拟工况条件对载荷分布的影响43-44
• 3.8 本章小结44-45
• 第4章 变桨轴承摩擦力矩的计算分析45-59
• 4.1 引言45
• 4.2 摩擦力矩计算理论45-51
• 4.2.1 一般计算模型45-46
• 4.2.2 较为准确的计算模型46-50
• 4.2.3 SKF 的计算模型50-51
• 4.3 变桨轴承结构参数对摩擦力矩的影响51-54
• 4.3.1 初始接触角对摩擦力矩的影响51-52
• 4.3.2 沟曲率半径系数对摩擦力矩的影响52-53
• 4.3.3 游隙对摩擦力矩的影响53-54
• 4.4 外部载荷对摩擦力矩的影响54-56
• 4.4.1 轴向力对摩擦力矩的影响54-56
• 4.4.2 倾覆力矩对摩擦力矩的影响56
• 4.5 不同摩擦力矩计算模型的对比分析56-57
• 4.6 本章小结57-59
• 第5章 摩擦力矩的试验测量59-65
• 5.1 试验目的59
• 5.2 空载试验59-62
• 5.2.1 试验装置59-60
• 5.2.2 测量方法60
• 5.2.3 试验结果及分析60-62
• 5.3 加载试验62-64
• 5.3.1 试验装置62-63
• 5.3.2 测量方法63
• 5.3.3 试验结果及分析63-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第6章 结论65-67
• 6.1 总结65-66
• 6.2 工作展望66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71
• 攻读硕士学位期间的研究成果71

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