风电圆锥滚子主轴承接触轮廓修型分析

针对风力发电机圆锥滚子主轴承，研究7 MW风电主轴承多工况的接触机理。通过雨流计数法对主轴承载荷谱进行等效力分析，根据静力学平衡方程计算轴承内部的滚子载荷分布并通过有限长赫兹接触理论计算滚子与滚道的接触应力。进一步研究不同滚子修型对滚子与滚道之间的接触应力的影响。研究表明：不同轮廓形貌的母线修型和同轮廓下的修型凸度对滚子轮廓应力有着明显影响。

随着传统能源的枯竭和能源开发带来的环境问题日益恶化，风能作为一种天然、可靠、清洁的能源异军突起，在能源市场上需求量很大，在新旧能源过渡中占据着不可或缺的地位[1] [2]。主轴轴承是风电机组的关键机械受载支承部件，主轴轴承的要求寿命在20 年以上，但实际主轴轴承在服役早期就形成一定程度磨损。风机主轴轴承的运行工况非常复杂，许多研究人员针对影响主轴轴承运行的因素做了一定的研究。

郑林征[3]建立双列圆锥滚子主轴承的力学分析模型， 计算极限和等效工况下的接触载荷与接触应力， 并研究了轴承游隙对轴承疲劳寿命的影响。褚景春等[4]对双列调心滚子主轴承的运行中偏载问题，设计了非对称滚道结构，通过理论计算与有限元分析表明了改进的设计对偏载的问题有缓解效果。杨剑飞等[5]建立双列球面滚子轴承在联合载荷作用下的受力与位移方程，结合有限长线接触理论分析滚子与滚道的接触应力，并探究了球面半径等因素对接触应力的影响。肖文[6]建立了风机主轴双列圆锥滚子轴承模型， 研究了极限工况下的倾覆力矩对风电轴承接触载荷与变形分布的影响规律。

Jiang [7]建立了一种新的考虑轴承间隙和预紧力的五自由度圆锥滚子轴承模型，并应用在2 个单列圆锥滚子轴承支撑的风电主轴承系统中，最后以有限元模型、Romax 模型和Harris 模型的仿真结果进行了比较，验证了所提模型的有效性。Li [8]研究了双列圆锥滚子轴承在外加载荷和角不对中作用下的力矩、接触载荷和疲劳寿命结果表明了外载荷、轴向预变形、轴承转速和角不对中对双列圆锥滚子轴承接触和疲劳特性有显著的影响。

Zheng [9]研究了在振荡外载荷和转速作用下的风机主轴的双列圆锥滚子轴承力学模型，计算了滚子的内载荷分布，然后采用基于弹性接触模型的迭代法研究了滚轮的接触压力。

本文旨在针对风电机组主轴的圆锥滚子轴承组合，建立一种计算轴承内部滚子载荷分布的5 自由度力学模型，借助于静力平衡方程计算滚子内部载荷分布；在此基础上，运用有限长线接触理论对滚子作切片处理求解滚子与滚道之间的接触应力分布。研究滚子修型对滚道接触应力的影响。

2. 圆锥滚子主轴承接触模型 2.1. 主轴承结构与载荷谱处理 风电机组服役条件恶劣，主轴承受载复杂，需同时承载叶片轮毂所受风载荷和主轴重量，在收到轴向力(Fx)和径向力(Fy、Fz)作用的同时，还收到倾覆力矩(My 和Mz)作用，如图1(a)所示，此外，风速的大小、方向在实时变化，所以主轴承时序载荷谱呈现无规律性。通过雨流计数法处理主轴承时序载荷谱，