專利名稱：風(fēng)電機(jī)增速器圓錐滾子軸承滑動(dòng)副的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的首選目標(biāo)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器中的高速圓錐滾子(含圓柱滾子)軸承，屬于高速回轉(zhuǎn)機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域，涉及改變圓錐滾子(含圓柱滾子)軸承中主要滑動(dòng)部分的摩擦狀態(tài)，在相對(duì)滑動(dòng)表面間形成一個(gè)完整的流體動(dòng)壓油膜，變邊界摩擦為純液體摩擦，解決圓錐滾子軸承因此摩擦、磨損、發(fā)熱而不能高速工作運(yùn)轉(zhuǎn)的問題，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)的長壽命(使用壽命20年)、高可靠性(無故障運(yùn)行13萬小時(shí)以上，可靠度95％以上)、高傳動(dòng)效率的要求；是潔凈新能源設(shè)備研發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)領(lǐng)域。
本發(fā)明適用于任何高速工況下圓錐滾子(含圓柱滾子)軸承的滑動(dòng)副的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著傳統(tǒng)能源的開發(fā)日趨枯竭、環(huán)境污染危害的日見嚴(yán)重、以及由于世界政治經(jīng)濟(jì)形勢而帶來的對(duì)進(jìn)口能源的安全日感憂慮，加之儲(chǔ)量與可開發(fā)性等多因素的綜合，風(fēng)能的開發(fā)利用已成為清潔、可再生能源的新寵而風(fēng)靡世界，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。中國可開發(fā)能源總量為10億千瓦，截止2007年底，中國風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量為590.6萬千瓦，僅占可開發(fā)能源總量的0.6％，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)開發(fā)潛力巨大。中國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)及配套水平都有了長足進(jìn)步，國內(nèi)的裝機(jī)水平已達(dá)兆瓦級(jí)。
兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于特大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，有三種類型雙饋式、直驅(qū)式和混合式。雙饋式是當(dāng)前的主導(dǎo)機(jī)型，它采用雙饋式異步發(fā)電機(jī)，但異步發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般在1000-1500rpm，甚至更高(可達(dá)1800-2000rpm)，可是風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速范圍一般在8.5-20rpm，這樣，在風(fēng)力機(jī)與異步發(fā)電機(jī)之間就要用增速器把它們聯(lián)結(jié)起來。增速器一般設(shè)計(jì)成一級(jí)行星齒輪與兩級(jí)平行軸齒輪或兩級(jí)行星齒輪與一級(jí)平行軸齒輪組合，速比范圍一般在60-120甚至更高些。增速器在軸承的選用上，一般在各級(jí)齒輪軸的固定端都用圓錐滾子軸承。增速器輸出軸的轉(zhuǎn)速就是異步發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，所以增速器的輸出軸和中間軸的轉(zhuǎn)速都該算是高轉(zhuǎn)速了。
圓錐滾子軸承，由于它可以承受很大的徑向和軸向聯(lián)合載荷，因而被廣泛地應(yīng)用在各類設(shè)備上。但圓錐滾子在工作時(shí)將產(chǎn)生軸向力，諸如由于軸承內(nèi)外圈滾道的接觸角不同以致使軸承的徑向載荷所引起的；由滾子離心力所引起的；由行星輪軸承繞偏心軸線旋轉(zhuǎn)所引起的；由軸承的軸向載荷所引起的；由滾子歪斜所引起的等。這個(gè)軸向力，將圓錐滾子的大端面緊緊地壓在套圈的引導(dǎo)擋邊上；軸承工作時(shí)，在圓錐滾子的大端面與套圈引導(dǎo)擋邊的接觸點(diǎn)上產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，而這種摩擦基本上屬于邊界摩擦，這個(gè)摩擦是軸承中存在的唯一由工作載荷所致的滑動(dòng)摩擦，且無可替代；業(yè)內(nèi)一向認(rèn)為“圓錐滾子大端面與套圈引導(dǎo)擋邊的滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致接觸表面的擦傷、磨損，顯著地影響整個(gè)軸承的摩擦力、發(fā)熱和軸承特性，如果不采用特殊的冷卻和潤滑方法，圓錐滾子軸承不宜高速運(yùn)轉(zhuǎn)。” 關(guān)于圓錐滾子大端面與套圈引導(dǎo)擋邊的設(shè)計(jì)與研究近況，以下引用被當(dāng)今世界公認(rèn)的由Tedric A.Harris所著的《滾動(dòng)軸承分析》(洛陽軸承研究所譯，內(nèi)部資料)中的論述“滾子端面與擋邊接觸的摩擦特性和承載能力明顯地取決于接觸體的幾何形狀。大部分的設(shè)計(jì)采用斜擋邊與平端面滾子(帶圓弧倒角)或球端面滾子。擋邊后仰角θf，也可以為零。”在應(yīng)用流體潤滑理論進(jìn)行滾子與平面接觸的油膜厚度計(jì)算之后，得出結(jié)論“遺憾的是，盡管以上分析非常復(fù)雜，但所得的油膜厚度結(jié)果遠(yuǎn)小于滾動(dòng)軸承所達(dá)到的表面粗糙度值?！薄癉owson等人研究了油膜壓力分布對(duì)次表面最大剪切力的影響?！薄癎rubin提出了線接觸彈流潤滑的最小油膜厚度的計(jì)算公式?！弊阋?，當(dāng)前對(duì)滾動(dòng)軸承的理論研究，只是針對(duì)圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，對(duì)滾子與滾道線接觸的彈流問題進(jìn)行了分析與計(jì)算，尚未開展對(duì)圓錐滾子大端面與套圈引導(dǎo)擋邊的滑動(dòng)摩擦問題進(jìn)行深入研究與改進(jìn)設(shè)計(jì)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，而提供一種風(fēng)電機(jī)增速器圓錐滾子軸承滑動(dòng)副的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用摩擦學(xué)理論對(duì)滾子端面與擋邊內(nèi)表面這一滑動(dòng)摩擦副進(jìn)行流體潤滑設(shè)計(jì)，使相對(duì)滑動(dòng)的兩個(gè)金屬表面被一層完整的動(dòng)壓潤滑油膜分開，使之成為潤滑油膜層間的純液體摩擦，顯著地降低整個(gè)軸承的摩擦力、消除發(fā)熱、提高軸承性能；由于采用這種摩擦學(xué)流體動(dòng)壓潤滑理論的設(shè)計(jì)方法，使圓錐滾子軸承適宜高速運(yùn)轉(zhuǎn)，解決兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器上圓錐滾子軸承一大關(guān)鍵問題。
采用的技術(shù)方案是 (1)將錐滾大端面和軸承內(nèi)圈擋邊內(nèi)表面的空間形狀分別制造成球面，其錐滾大端面為球面上的圓形部分，而擋邊內(nèi)表面的空間形狀為球環(huán)； (2)使錐滾大端面的球半徑小于擋邊內(nèi)表面球環(huán)的球半徑，其兩個(gè)球面自接觸點(diǎn)開始的兩相對(duì)滑動(dòng)表面間都會(huì)形成發(fā)散的空間楔形間隙(當(dāng)指向接觸點(diǎn)時(shí)，即是收斂的楔形間隙)； (3)合理的選擇錐滾大端面的球半徑與擋邊內(nèi)表面球環(huán)的球半徑，即合理的選擇錐滾大端面球面與擋邊內(nèi)表面球環(huán)球面的間隙形狀與大小，以便于形成具有所要求承載能力的動(dòng)壓潤滑油膜 (4)工作時(shí)，錐滾大端球面與擋邊內(nèi)表面的接觸為一選定的點(diǎn)(經(jīng)理論與實(shí)踐證明，點(diǎn)接觸為最佳接觸形式)，這一點(diǎn)在錐滾的理論軸線(未發(fā)生歪斜)與內(nèi)套圈軸線所在的平面內(nèi)，并在擋邊內(nèi)表面的上邊緣與越程槽邊緣之間的最適宜點(diǎn)(避開與邊緣接觸，且動(dòng)壓效應(yīng)好)； (5)需要向軸承內(nèi)不間斷地供給充足的、具有合適黏度的潤滑油； (6)在層流潤滑條件下，可由雷諾方程求得在所選定的最小油膜厚度下的動(dòng)壓潤滑油膜的分布?jí)毫?，進(jìn)而求得錐滾大端面的軸向承載能力；這個(gè)承載能力要大于錐滾的實(shí)際軸向載荷，并選擇適當(dāng)?shù)陌踩６取?br> 本發(fā)明直接導(dǎo)入產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)圓錐滾子軸承可以理想地應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器及一切高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備上。



圖1、圖2和圖3是圓錐滾子端面與擋邊內(nèi)表面接觸的三種形式 圖1所示為當(dāng)圓錐滾子端面為球面、擋邊內(nèi)表面為圓錐體的一部分時(shí)，其二耦合面接觸區(qū)形狀為線接觸； 圖2所示為當(dāng)圓錐滾子端面為球面、擋邊內(nèi)表面亦為球面(球環(huán))、且擋邊內(nèi)表面的球半徑等于圓錐滾子球端面的球半徑時(shí)，其二耦合面接觸區(qū)形狀為完全面接觸； 圖3所示為當(dāng)圓錐滾子端面為球面、擋邊內(nèi)表面亦為球面(球環(huán))、且擋邊內(nèi)表面的球半徑大于圓錐滾子球端面的球半徑時(shí)，其二耦合面接觸區(qū)形狀為點(diǎn)接觸。
圖4為圓錐滾子球端面與擋邊內(nèi)表面的設(shè)計(jì)間隙示意圖。
標(biāo)號(hào)1為圖4中的圓錐滾子；標(biāo)號(hào)2為圖4中的內(nèi)套圈；標(biāo)號(hào)3為圖4中的外套圈。
圖5是圖4中的I部放大示意圖。
標(biāo)號(hào)4為圖5中的擋邊球面；標(biāo)號(hào)5為圖5中的錐滾球端面；標(biāo)號(hào)6為圖5中的設(shè)計(jì)間隙；標(biāo)號(hào)7為圖5中的內(nèi)套圈越程槽。
在圓錐滾子球端面與擋邊內(nèi)表面的設(shè)計(jì)間隙簡圖里顯示出接觸點(diǎn)的可選位置及間隙的基本形狀。

具體實(shí)施例方式 1、計(jì)算出錐滾所承受的軸向載荷首先計(jì)算由徑向載荷(因軸承內(nèi)外圈滾道的接觸角不同)所引起的軸向載荷；其次是計(jì)算由軸承的軸向載荷分配到擋邊承擔(dān)的力(軸承的軸向載荷由滾子-滾道接觸面和滾子-擋邊共同承擔(dān))；再次是由滾子的離心力及行星輪軸承繞偏心軸線旋轉(zhuǎn)所引起的附加軸向載荷； 2、設(shè)計(jì)時(shí)選定滾子-擋邊耦合間隙中適宜的接觸點(diǎn)的位置 3、確定潤滑油的黏度； 4、選定滾子端球面與擋邊內(nèi)球面的球半徑； 5、在接觸點(diǎn)處，按大于兩表面粗糙度之和的3-5倍的原則來確定兩表面間的距離，即最小油膜厚度； 6、應(yīng)用穩(wěn)態(tài)(二維)雷諾方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
瞬態(tài)(三維)雷諾方程表示為 式中x——球面上速度u方向坐標(biāo)； z——球面上速度w方向坐標(biāo)；x與z垂直； h——分布的油膜厚度； p——分布的油膜壓力 η——潤滑油黏度； u——切向相對(duì)滑動(dòng)速度； w——徑向相對(duì)滑動(dòng)速度； t——時(shí)間； 在穩(wěn)態(tài)情況下，上式便成為 式中符號(hào)意義同上 這個(gè)方程，已經(jīng)把各相關(guān)參數(shù)的相互關(guān)系及相關(guān)度用數(shù)學(xué)語言表述清楚了。從數(shù)學(xué)意義講，穩(wěn)態(tài)雷諾方程，是一個(gè)兩階、兩維、變系數(shù)、非齊次、橢圓型微分方程，至今尚未求得解析解它需要用數(shù)值計(jì)算方法求出分布的油膜壓力p，再求出圓錐滾子的軸向總承載能力p，并大于工作時(shí)所承受的最大載荷；其分布的油膜厚度h為所研究的兩個(gè)滑動(dòng)表面間的完整動(dòng)壓油膜的分布厚度，最小厚度也要大于兩表面粗糙度之和的3-5倍，這就從根本上保證了完全分離兩個(gè)相對(duì)滑動(dòng)的金屬表面，實(shí)現(xiàn)純液體摩擦。
本發(fā)明擯棄傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承的脂潤滑，而采用優(yōu)質(zhì)的潤滑油潤滑。所述的潤滑油是根據(jù)錐滾的軸向載荷、錐滾的大端面和內(nèi)圈擋邊內(nèi)表面的相對(duì)間隙、相對(duì)滑動(dòng)速度等參數(shù)來選擇的。如果，軸承潤滑油為單獨(dú)供給，其黏度可選范圍為ISO VG 100，150，220，320，460如果，軸承共用主傳動(dòng)摩擦副的潤滑油(比如在齒輪箱內(nèi)，則可共用齒輪油)，但要有專線管路單獨(dú)供油，特別是高速軸上的軸承尤其要如此。風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器中的軸承在齒輪箱內(nèi)，即可與傳動(dòng)齒輪同用齒輪油潤滑；中負(fù)荷工業(yè)齒輪油(GB5903-86)，其黏度可選范圍為ISOVG 100，150，220，320，460，黏度指數(shù)≥90；若采用重負(fù)荷工業(yè)齒輪油(Q/SH018.3215-90)，其黏度可選范圍為ISO VG 150，220，320，460，黏度指數(shù)≥95；恰好吻合；當(dāng)然，采用重負(fù)荷工業(yè)齒輪油會(huì)更好些。當(dāng)在先選定齒輪油的情況下，作軸承設(shè)計(jì)時(shí)，潤滑油黏度即為已定參數(shù)。
權(quán)利要求
1、風(fēng)電機(jī)增速器圓錐滾子軸承滑動(dòng)副的設(shè)計(jì)方法，其特征在于
1)將錐滾大端面和軸承內(nèi)圈擋邊內(nèi)表面的空間形狀分別制造成球面，其錐滾大端面為球面上的圓形部分，而擋邊內(nèi)表面的空間形狀為球環(huán)；
2)使錐滾大端面的球半徑小于擋邊內(nèi)表面球環(huán)的球半徑，上述兩個(gè)球面自接觸點(diǎn)開始的兩相對(duì)滑動(dòng)表面間都會(huì)形成發(fā)散的空間楔形間隙，當(dāng)指向接觸點(diǎn)時(shí)，即是收斂的楔形間隙；
3)按設(shè)計(jì)要求選擇錐滾大端面的球半徑與擋邊內(nèi)表面球環(huán)的球半徑，即合理的選擇錐滾大端面球面與擋邊內(nèi)表面球環(huán)球面的間隙形狀與大小，以便于形成具有所要求承載能力的動(dòng)壓潤滑油膜
4)工作時(shí)，錐滾大端球面與擋邊內(nèi)表面的接觸為一選定的點(diǎn)，這一點(diǎn)在錐滾的理論軸線與內(nèi)套圈軸線所在的平面內(nèi)，并在擋邊內(nèi)表面的上邊緣與越程槽邊緣之間的適宜點(diǎn)；
5)需要向軸承內(nèi)不間斷地供給充足的、具有合適黏度的潤滑油；
6)在層流潤滑條件下，可由雷諾方程
求得在所選定的最小油膜厚度下的動(dòng)壓潤滑油膜的分布?jí)毫ΓM(jìn)而求得錐滾大端面的軸向承載能力；這個(gè)承載能力要大于錐滾的實(shí)際軸向載荷，并選擇適當(dāng)?shù)陌踩６龋?br> 式中x——球面上速度u方向坐標(biāo)；
z——球面上速度w方向坐標(biāo)；x與z垂直；
h——分布的油膜厚度；
p——分布的油膜壓力
η——潤滑油黏度；
u——切向相對(duì)滑動(dòng)速度；
w——徑向相對(duì)滑動(dòng)速度；
t——時(shí)間。
全文摘要
風(fēng)電機(jī)增速器圓錐滾子軸承滑動(dòng)副的設(shè)計(jì)方法，是將錐滾大端面和軸承內(nèi)圈擋邊內(nèi)表面的空間形狀分別制造成球面，錐滾大端面為球面上的圓形部分，而擋邊內(nèi)表面的空間形狀為球環(huán)；使錐滾大端面的球半徑小于擋邊內(nèi)表面球環(huán)的球半徑，兩個(gè)球面自接觸點(diǎn)開始的兩相對(duì)滑動(dòng)表面間都會(huì)形成發(fā)散的空間楔形間隙，當(dāng)指向接觸點(diǎn)時(shí)，即是收斂的楔形間隙；選擇錐滾大端面的球半徑與擋邊內(nèi)表面球環(huán)的球半徑，即合理的選擇錐滾大端面球面與擋邊內(nèi)表面球環(huán)球面的間隙形狀與大小；工作時(shí)，錐滾大端球面與擋邊內(nèi)表面的接觸點(diǎn)為在錐滾的理論軸線與內(nèi)套圈軸線所在的平面內(nèi)，且為擋邊內(nèi)表面的上邊緣與越程槽邊緣之間的適宜點(diǎn)。本發(fā)明使圓錐滾子軸承可以理想地應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器及一切高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備上。
文檔編號(hào)F16C33/66GK101592183SQ20091001230
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者李樹青, 郭溪泉 申請(qǐng)人:郭溪泉