軸承疲勞危害大，如何避免？
發(fā)布時間：2022/03/28
01、背景描述
上一篇文章中基于疲勞分析理論和相應的修正方法，對風機變槳軸承的疲勞壽命進行了計算分析。受極端氣候條件、復雜服役載荷的綜合作用，由軸承失效引發(fā)的故障越來越多，其失效機理研究已成為長壽命、高可靠性風電裝備制造中的普遍性難題。
變槳軸承對于風電系統(tǒng)的正常運行及可靠性有著重要的作用，它承受交變多源載荷，工作環(huán)境嚴酷，所以磨損、疲勞失效問題時有發(fā)生。但由于其安裝在高40-100m的塔架上，維護與安裝極為不便，成本高昂。
圖1-1 風機的內部結構與變槳軸承位置
02、建模方法
變槳軸承滾珠直徑一般為 30-75mm，且滾珠與螺栓數量為幾十到幾百個，可見變槳軸承模型大，接觸多;如果對軸承進行全模型分析，就需要建與滾珠、相同數量的接觸對，這就對計算機的計算能力以及計算時間提出了很高的要求，且不容易收斂，計算效率低。因此，對變槳軸承的滾珠—滾道進行簡化模擬很有必要。
圖2-1 變槳軸承結構示意及簡化方法
考慮到滾道表面通過會進行激光淬火硬化，故需要建立帶有激光表面淬火硬化層的有限元分析模型，如上圖下右所以。模型共分三層，分別為硬化層、過渡層、核心層。三層材料賦予不同的彈性模量、泊松比、疲勞強度因子、疲勞強度分量、疲勞延展性因子、疲勞延展性系數、循環(huán)應變加強系數、循環(huán)應力因子、抗拉強度。
03、疲勞影響因素
(1)硬化層深對疲勞壽命影響
對硬化層深度為2mm、4mm、6mm、8mm和10mm的滾道依次進行有限元疲勞壽命計算，隨硬化層深度的增加，疲勞壽命的變化如下圖3-1結果所示：
圖3-1 滾道不同硬化層深度對應的疲勞壽命結果
將不同深度的硬化層對疲勞壽命影響的分析結果匯總，得到壽命分布直方圖如下3-2所示：
圖3-2 不同硬化層壽命結果統(tǒng)計直方圖
通過不同硬化層深度下滾道的疲勞壽命變化可知：(1)隨著硬化層加深，滾道疲勞壽命增大;(2)當硬化層深度增至其理論硬化層深之后，疲勞壽命隨硬化層增加時的提升變緩;(3)未經表面硬化的滾道其疲勞壽命僅為不到500次載荷循環(huán)，遠遠低于僅有2mm硬化層深的滾道疲勞壽命，由此滾道表面是否硬化處理對其疲勞壽命的影響十分顯著。
(2)不同載荷下的壽命變化
對硬化層深度DS=8mm的滾道分別施加F=180kN、F=140kN和F=100kN三種大小不同的載荷，研究不同載荷對滾道疲勞壽命的影響如下圖3-3所示：
圖3-3 深度DS=8mm時不同載荷下的疲勞壽命
將不同載荷對疲勞壽命影響的分析結果匯總，得到壽命分布直方圖如下3-4所示：
圖3-4 DS=8mm模型不同載荷下滾道的壽命變化趨勢
分析載荷變化時壽命的計算結果可得：(1)隨著所受載荷的降低，滾道疲勞壽命增大;(2)當載荷降至中低水平時，疲勞壽命均表現出顯著突增，因此在軸承運行過程中應盡量避免極限載荷，通過設計制造裝配等流程階段的把控，使軸承的運轉盡可能平穩(wěn)，提高其疲勞壽命。
(3)粗糙度對壽命的影響
滾道與滾動體接觸面上的粗糙度會影響滾道疲勞壽命，取硬化層深度DS=8mm的滾道，設定FR為滾道面粗糙度影響因子，當FR從1到0.9、0.6、0.3、0.1依次減小時，對應滾道面由精細到粗糙逐漸變化，通過改變滾道面粗糙度影響因子f得到疲勞壽命的計算結果如下圖3-5所示：
圖3-5 粗糙度變化時滾道的疲勞壽命結果
將滾道疲勞壽命隨滾道表面粗糙度的變化的計算結果統(tǒng)計在如圖3-6所示壽命分布直方圖可得變化趨勢：
圖3-6 粗糙度對疲勞壽命的影響
上圖中FR為滾道面粗糙度影響因子，當FR從1到0.9、0.6、0.3、0.1依次減小時，對應滾道面由精細到粗糙逐漸變化。
通過分析粗糙度影響因子變化時滾道壽命分布直方圖可得：(1)當滾道表面粗糙度增大時，滾道的疲勞壽命會降低;(2)當滾道面較為光滑時，粗糙度的增大會給疲勞壽命帶來顯著影響;(3)為保證滾道運行可靠性，應通過嚴格的表面處理及合理的潤滑方式等盡可能降低接觸面的粗糙度，以提高其疲勞壽命。
(4)彈塑性材料對壽命的影響分析
本節(jié)探究忽略材料塑性特點對模型壽命分析結果的影響。選擇沒有硬化層的滾道模型，通過分別賦于模型彈性材料和彈塑性材料，分析其疲勞壽命。
由仿真結果可得：當忽略材料彈塑性后，通過應變疲勞算法中對彈塑性修正得到的疲勞壽命計算值為216.9次，考慮材料塑性特點的應變疲勞計算值為498.9次。可見在忽略材料的塑性特性后，疲勞壽命所得計算值偏小，如圖3-7。
圖3-7 不同材料設定對疲勞壽命的影響
材料線彈性與材料彈塑性的疲勞壽命計算結果存在明顯差異。當考慮材料彈塑性時計算所得各項應力值均小于僅考慮材料線彈性時的計算結果。因此進行變槳軸承滾道應力分析及疲勞壽命計算時，需準確考慮材料的彈塑性特性，否則將對分析結果造成很大影響。此外，滾道沒有硬化層時，疲勞壽命非常低，這也證明了在制造過程中進行表面淬火硬化的必要性。
04、總結
本文通過研究硬化層、載荷、表面粗糙度、材料彈塑性對疲勞分析結果的影響，說明了疲勞壽命預測需要注意的各個因素。為了結果的準確性，通常還需要開展一定的疲勞試驗，校驗仿真計算結果。
載荷是造成工件疲勞的直接原因，對及風機設備，在工作中會受到慣性力和重力載荷、空氣動力載荷、離心載荷、沖擊載荷等作用。要準確評估變槳軸承的壽命，需要對其載荷條件進行研究，包括變槳同步誤差、安裝表面平面度等引起的載荷分布變化。
