CN212155476U

CN212155476U - 一种风电设备用调心轴承的修形滚子

Info

Publication number: CN212155476U
Application number: CN202020283080.7U
Authority: CN
Inventors: 董汉杰; 刘好洁; 贾松阳; 王朋伟; 王立宁; 练松伟; 刘菁; 谢兴会
Original assignee: Luoyang LYC Bearing Co Ltd
Current assignee: Luoyang Bearing Group Co ltd
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2030-03-10

Abstract

一种风电设备用调心轴承的修形滚子，所述修形滚子滚动面的中部区域为半径R的标准球面，滚动面的两侧局部区域为对数修形弧面，两侧的对数修形弧面与标准球面光滑衔接。本实用新型能有效改善轴承内部的应力分布，延长调心滚子轴承的使用寿命，进而极大减小风机的维护成本。经实际应用证明，使用修形滚子的调心滚子轴承，其使用寿命最少可提高10%以上。圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承的滚子已实现对数修形，而调心滚子轴承由于其调心性能的特殊性要求，至今未实现滚子的对数修形。本实用新型在保证调心性能的前提下，实现了调心滚子轴承球面滚子的对数修形，这是本实用新型的创造性所在，其意义重大。

Description

一种风电设备用调心轴承的修形滚子

技术领域

本实用新型属于轴承领域，主要涉及一种风电设备用调心轴承的修形滚子。

背景技术

轴承是风力发电设备的核心部件之一，往往影响着整个设备的运行。一旦主轴轴承出现问题，动辄需付出上千万的设备维修代价，造成严重的经济损失。调心滚子轴承广泛用作风电设备主轴和增速箱轴承，主轴起支承轮毂及叶片，传递扭矩到增速器的作用，主轴轴承主要承受径向力，其性能优劣不仅影响传递效率，也影响着整个机组的维护成本，所以要求具有良好的调心性能、抗振性能、运转平稳性和长寿命等。近年来，随着风电行业的迅猛发展，对调心滚子轴承的需求量及质量要求不断提高。而调心滚子轴承由于其结构特点难以实现高精度，精度一般最高只能达到P5；如何提高使用寿命成为行业内关注的重点和难点。

调心滚子轴承主要包括内外圈、若干球面滚子、保持架等组件，有的轴承还包括内隔圈、密封件等。球面滚子位于内外圈之间，有自转和公转运动。球面滚子和内外圈滚道具有不同的半径，形成球-球形式的接触，同时由于球面滚子有一定的半径和长度，也形成线接触。所以调心滚子轴承内部的接触比点接触的球轴承、线接触的圆柱和圆锥滚子轴承更为复杂。而轴承的内部接触问题与轴承使用寿命息息相关。

在线接触的圆柱和圆锥轴承领域，滚子端面应力集中问题受到很大关注，通常对圆柱和圆锥滚子轴承中的直线滚子进行不同形式的修形，修形曲线常见的包括圆弧型、对数型等，滚子端部最大修形量一般为几微米到几十微米，修形后的滚子可消除边缘应力集中，整个表面上会形成较均匀的应力分布，可有效提高轴承的使用寿命数倍以上。目前线接触的圆柱和圆锥滚子轴承的修形设计和加工已较为成熟，得到普遍应用。

专利授权号CN103810354B的专利公开了一种圆柱滚子轴承对数修形曲线的优化设计方法，首先将对数修形曲线方程简化变形，针对简化变形的对数修形曲线方程进行处理，使优化设计转化为对简化变形的对数修形曲线方程式中一个参数的优化问题，然后，应用有限元物理仿真方法获得的接触应力的分布规律曲线图，通过对多组对数曲线方程模型的计算分析和接触应力分布规律曲线图对比，优化对数修形曲线方程公式中一个参数，也就是对对数曲线的斜率和修形的凸度量进行优化设计，从而设计出与所受载荷和被修形元件几何形状相对应的最佳修形曲线。该专利用于圆柱滚子或圆锥滚子等柱面滚子的修形设计，而球面滚子与滚道的接触面为球面，同时具备点接触和线接触的复杂接触，上述专利的技术方案并不适用调心滚子的修形。

对于调心滚子轴承，其球面滚子为半径R的标准球面，从未考虑过滚动面修形问题。通常滚子与内外圈滚道的密合度不同，会在球面滚子滚动面两侧与内外圈滚道之间形成一定的间隙，受载时，不会形成滚动体滚动面两侧边缘的应力集中。在轴承承受载荷较大的工况下，根据赫兹接触理论，两球面接触形成的应力分布是中部最大，两侧逐渐减小；而两接触体的半径值差值越大，中部的应力值越大。因此不同的密合度，虽然解决了边缘应力集中，但加大了滚动面中部的接触应力，使原本较大的中部接触应力进一步增大。从而会引起滚动体中部滚动面的早期失效，降低轴承的使用寿命。

另外，对于受载较小的调心滚子轴承，虽不会形成边缘应力集中，但在轴承使用后期，球面滚子中部逐渐磨损，接触应力开始向滚子两端蔓延，最终仍会形成边缘应力集中，这种情况是不能通过调整密合度而得到解决的。

发明内容

为解决背景技术中的问题，本实用新型提供一种风电设备用调心轴承的修形滚子，其目的在于：通过对滚子的修形，改善调心滚子轴承内部的应力分布，延长调心滚子轴承的使用寿命，进而极大减小风机的维护成本。

本实用新型采用如下技术方案来实现：

一种风电设备用调心轴承的修形滚子，所述修形滚子滚动面的中部区域为半径R的标准球面，滚动面的两侧局部区域为对数修形弧面，两侧的对数修形弧面与标准球面光滑衔接。

为了改进技术方案，每侧对数修形弧面的长度为修形滚子有效长度L的5% ~15%。具体数值可根据滚子尺寸大小而定。

为了改进技术方案，所述修形滚子的总长为L，在修形滚子的两端设有倒圆r，所述修形滚子的有效长度Lwe=L-2r。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的修形滚子，与普通球面滚子相比，能有效改善轴承内部的应力分布，延长调心滚子轴承的使用寿命。经实际应用证明，使用修形滚子的调心滚子轴承，其使用寿命最少可提高10%以上。

圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承的滚子已实现对数修形，而调心滚子轴承由于其调心性能的特殊性要求，至今未实现滚子的对数修形。本实用新型在保证调心性能的前提下，实现了调心滚子轴承球面滚子的对数修形，这是本实用新型的创造性所在，其意义重大。

附图说明

图1为球面滚子与外圈球面滚道间隙的示意图。

图2为修形滚子在调心滚子轴承内的结构示意图。

图3为修形滚子轮廓的示意图。

图中：1、外圈；2、修形滚子；2.1、标准球面；2.2、对数修形弧面；3、内圈；4、保持架；5、外圈球面滚道；6、球面滚子。

具体实施方式

下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，所述外圈球面滚道5与球面滚子6具有不同的半径，在中部接触。这样在两接触体之间即形成一定间隙，间隙值在球面滚子6中心点处为0，间隙值向滚子端部方向逐渐增大。不受载时是点接触，受载后接触体发生弹性变形，形成接触椭圆，载荷越大接触椭圆越大，当超过滚子长度范围时，会形成边缘应力集中。通常做法是通过调整半径差值(即密合度)来增加间隙量，从而改善边缘应力集中问题。但是这种做法加大了球面滚子6中心点处的接触应力，且使球面滚子6表面的应力分布不均匀。除了受载较大的情况外，当受力较小时，轴承在正常寿命周期内不会产生边缘应力集中，但在后期磨损后，应力范围开始扩大，逐渐也会形成边缘应力集中。因此，本实用新型可有效改善轴承内部的应力分布，在不增大球面滚子6中心点应力的情况下，解决边缘应力集中问题。

一种风电设备用调心轴承的修形滚子，如图2所示，所述调心滚子轴承主要包括外圈1、修形滚子2、内圈3、保持架4，其他常见的调心滚子轴承还可能包括内隔圈、密封件等。修形滚子2是核心零件，在轴承中可以自转和绕轴承中轴线公转，提供支撑和传动作用。

如图3所示，本实用新型将修形滚子2的滚动面分为三部分：修形滚子2滚动面的中部区域为半径R的标准球面2.1，滚动面的两侧区域为对数修形弧面2.2，两侧的对数修形弧面2.2与标准球面2.1光滑衔接。

修形滚子2的有效长度为L，修形滚子2的两端设有倒圆r。每侧对数修形弧面2.2的长度为修形滚子有效长度L_we的5% ~15%，根据滚子尺寸大小确定具体数值。不同于圆柱和圆锥滚子的全长修形，调心滚子轴承的球面滚子6与外圈球面滚道5为球-球接触，中间部分已有微小间隙，因此仅对球面滚子6两端进行修形，在不改变中间接触状态的情况下，使其两端部的间隙进一步加大。

首先对滚子表面进行分段，修形段长度L₁约占L的5%~15%，L₂为不修形段。对数修形弧面2.2的对数修形曲线由线接触问题的Lundberg对数曲线方程变形得出，所述Lundberg对数曲线方程为：

由于修形长度不是滚子全长，仅在两端局部修形，因此方程中的长度L需进行修正。修正后的方程为：

数修形弧面2.2的最大修形量b，根据上式，使x无限接近L/2时，可得到b的数值，由于加工误差，最大修形量b是一个范围值。

为便于检测，数修形弧面2.2轮廓线各点的坐标方程为：

对以上过程举例，某型号调心滚子轴承参数为：泊松比

=0.3，弹性模量E=2.06X10⁵N/mm²，滚子除去倒角长度L为99mm，修形长度L₁占长度L的15%，取整后为15mm，标准球面的半径R为345 mm，滚子最大载荷W=25323N，不修形的长度L₂=49/2-15=34.5mm，得到对数方程：

34.5≤X≤49.5

使x无限接近49.5计算最大修形量b，结果如下：

<i>x</i>	49.40	49.45	49.46	49.47	49.48
						b	0.01024	0.01188	0.012407	0.01309	0.01405

由此可以确定最大修形量b为0.010~0.014mm。

滚子表面轮廓各点的坐标值方程为：

在球面滚子6的每端取三个点作为测量点，其坐标计算结果如下：

X	-49	-42	-35
				Y	341.496	342.433	343.220
X	35	42	49
				Y	341.496	342.433	343.220

为使加工更为精确，测量点的数量可适当增加。

修形滚子2能有效改善轴承内部的应力分布，延长调心滚子轴承的使用寿命。经实际应用证明，使用修形滚子的调心滚子轴承，其使用寿命最少可提高10%以上。

Claims

1.一种风电设备用调心轴承的修形滚子，其特征是：所述修形滚子滚动面的中部区域为半径R的标准球面，滚动面的两侧局部区域为对数修形弧面，两侧的对数修形弧面与标准球面光滑衔接。

2.如权利要求1所述的一种风电设备用调心轴承的修形滚子，其特征是：每侧对数修形弧面的长度为修形滚子有效长度L的5% ~15%。

3.如权利要求2所述的一种风电设备用调心轴承的修形滚子，其特征是：所述修形滚子的总长为L，在修形滚子的两端设有倒圆r，所述修形滚子的有效长度Lwe=L-2r。