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偏航變槳軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成和傳遞載荷的重要部件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要部件（比如輪轂、機(jī)架、塔頂法蘭等）有限元分析時(shí)，都需要考慮其臨近部件，如偏航或變槳軸承。如何模擬偏航變槳軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部件有限元模型正確模擬的關(guān)鍵，偏航變槳軸承的非線性特性很大程度上影響著有限元分析的精確性，必須正確考慮，然而偏航變槳軸承的內(nèi)外圈和滾子全部實(shí)體建模將會(huì)帶來(lái)復(fù)雜的接觸關(guān)系，計(jì)算難以收斂。本文使用ANSYS軟件中的link10單元組模擬滾子，通過(guò)合理設(shè)置link10單元的剛度和初始應(yīng)變，使link10單元組和軸承滾道滾子接觸對(duì)具有相同的非線性接觸剛度，而且在載荷改變時(shí)也可以模擬出滾道滾子接觸角變化的特性。最后通過(guò)有限元計(jì)算和軸承理論計(jì)算比較，驗(yàn)證了其載荷傳遞的正確性。本文的方法不僅可以正確考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有限元模型中軸承的非線性特性，而且可以大大簡(jiǎn)化模型，減少計(jì)算量，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要部件的有限元分析變得快捷和精確。
偏航變槳軸承通常為四點(diǎn)接觸盤(pán)轉(zhuǎn)軸承或八點(diǎn)接觸盤(pán)轉(zhuǎn)軸承，圖為典型的四點(diǎn)接觸盤(pán)轉(zhuǎn)軸承的截面示意圖。偏航變槳軸承通常采用負(fù)游隙或0游隙，軸承溝曲率半徑系數(shù)為0.52~0.53，滾道的半徑比滾子半徑略大，在軸承不受載荷的初始狀態(tài)時(shí)，滾道和滾子有4個(gè)接觸點(diǎn)，如圖1所示，這4個(gè)接觸點(diǎn)構(gòu)成2個(gè)接觸對(duì)，接觸對(duì)1處于45°接觸角，接觸對(duì)2處于135°接觸角。當(dāng)偏航變槳軸承受載后，隨著載荷的加大，滾子和滾道基本上只有一個(gè)接觸對(duì)接觸，在另一個(gè)接觸對(duì)出現(xiàn)間隙，并且接觸角也在變化，滾道和滾子的接觸剛度隨載荷的增大也會(huì)變大。軸承在受載后的變化過(guò)程是一個(gè)典型的非線性變化過(guò)程。
接觸對(duì)滾道之間的法向趨近量與接觸載荷的關(guān)系為非線性，具體為：接觸對(duì)1處接觸載荷Q1ψ為：Q1ψ=Kn（δ1n）1.5δ1n＞00δ1n≤0（1）同理，接觸對(duì)2處接觸載荷Q2ψ為：Q2ψ=Kn（δ2n）1.5δ2n＞00δ2n≤0（2）式中：δ1n和δ2n分別為接觸對(duì)1和接觸對(duì)2被滾動(dòng)體隔開(kāi)的2個(gè)滾道之間的法向趨近量，等于鋼球與每個(gè)滾道的趨近量之和；Kn為2個(gè)滾道間的載荷位移系數(shù)。如果軸承受軸向力Fa、徑向力Fr以及翻轉(zhuǎn)力矩M作用，根據(jù)平衡條件列出的方程組為：Fr=zi=1ΣQ1ψcosα1ψcosψ+zi=1ΣQ2ψcosα2ψcosψFa=zi=1ΣQ1ψsinα1ψ-zi=1ΣQ2ψsinα2ψM=12Dwpzi=1ΣQ1ψsinα1ψcosψ-zi=1ΣQ2ψsinα2ψcosΣψ（3）式中：鋼球總數(shù)為z；第i個(gè)鋼球的方位角為ψ；接觸對(duì)1的接觸角為α1ψ；接觸對(duì)2的接觸角為α2ψ。式（3）是一個(gè)非線性方程組，當(dāng)軸承的基本尺寸參數(shù)給定時(shí)，對(duì)應(yīng)一組外部載荷Fr、Fa和M，可以通過(guò)牛頓迭代法求解得到各個(gè)接觸對(duì)的法向趨近量。該非線性方程的求解需要編譯程序求解，詳細(xì)的求解過(guò)程參考文獻(xiàn)。
link10單元具有獨(dú)一無(wú)二的雙線性剛度矩陣特性，使其成為一個(gè)僅受拉或僅受壓的桿單元，這里設(shè)置成僅受壓的特性來(lái)模擬滾子和滾道的接觸屬性：滾子和滾道接觸時(shí)傳遞法向的接觸載荷，滾子和滾道分離時(shí)不傳遞載荷。通過(guò)一組link10單元來(lái)模擬一個(gè)滾子，設(shè)置合理的link10單元參數(shù)，就能很好地模擬該類(lèi)軸承的非線性接觸特性，以及接觸角度變化和接觸剛度的變化特性。
本文采用7根桿單元模擬一個(gè)接觸對(duì)，如圖2所示，一個(gè)滾子有2個(gè)接觸對(duì)，共需要用14根link10單元模擬一個(gè)滾子，在45°和135°方向，滾接觸對(duì)2接觸對(duì)1子與滾道剛好接觸，在其他方向，滾子與滾道存在間隙，間隙值的大小可以通過(guò)滾子和滾道的幾何關(guān)系求解。
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