主頁(yè) > 軸承知識(shí)(shí)

行星輪軸承滑移臨界力矩分析

2018-10-25

馬艷青　孫黎

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)電齒輪箱；行星輪軸承；滑移臨界力矩

　　1.引言

　　軸承是重要的傳動(dòng)部件，風(fēng)電齒輪箱正常工作的行星輪軸承在低載荷工況下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)滑移情況。齒輪箱行星輪軸承通常都具有很好的剛性，行星輪孔內(nèi)表面與軸承外圈互相接觸且具有相反的運(yùn)動(dòng)方向，因此兩者之間存在相對(duì)滑移的可能性。

　　滑移本身并不一定會(huì)造成軸承的損壞，但在潤(rùn)滑不充分的情況下，即潤(rùn)滑油膜不能夠防止金屬的直接接觸時(shí)，滑移會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，引起黏著磨損。在潤(rùn)滑充分的條件下，滑移雖不會(huì)立即導(dǎo)致失效，但是也會(huì)對(duì)軸承材料性能、接觸幾何形狀以及應(yīng)力分布等造成影響，隨之發(fā)生點(diǎn)蝕，Z終導(dǎo)致軸承早期失效。因此，研究行星輪與軸承過(guò)盈配合表面滑移具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

　　2.過(guò)盈配合力學(xué)分析

　　過(guò)盈聯(lián)接裝配后，由于行星輪與軸承的徑向變形，使配合面間產(chǎn)生很大的工作壓力。工作時(shí)就依靠配合面間的摩擦力來(lái)傳遞載荷，過(guò)盈量越大，連接的強(qiáng)度越大，所能傳遞的載荷也越大。

　　為了保證過(guò)盈連接的工作能力，計(jì)算包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一方面是已知載荷的情況下，計(jì)算配合面所需的壓力和產(chǎn)生這個(gè)壓力所需的Z小過(guò)盈量，也就是連接的強(qiáng)度計(jì)算；另一方面，在選定的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)盈配合下，校核連接的各個(gè)零件的Z大過(guò)盈量時(shí)的強(qiáng)度，也就是連接件本身的強(qiáng)度計(jì)算。本文中，為了研究不同過(guò)盈量與滑移臨界力矩的關(guān)系，我們已知過(guò)盈量的值，計(jì)算風(fēng)電齒輪箱行星輪孔內(nèi)表面與軸承外表面發(fā)生相對(duì)位移所需Z小力矩，即滑移臨界力矩。

　　根據(jù)行星輪系的尺寸結(jié)構(gòu)形式以及彈性力學(xué)理論，計(jì)算出過(guò)盈配合表面產(chǎn)生相對(duì)位移所需要的滑移臨界力矩。計(jì)算過(guò)程詳述如下。

　　圖1給出了行星輪輪轂與軸承外圈過(guò)盈配合示意圖。其中，d為過(guò)盈配合面直徑，d1為軸承外圈內(nèi)徑，d2為行星輪輪轂外徑。

　　根據(jù)行星輪系的尺寸結(jié)構(gòu)形式以及彈性力學(xué)理論，可得行星輪與軸承過(guò)盈配合表面Z大應(yīng)變（單位MPa）：

　　其中：

 　　式中：e—過(guò)盈量(mm)；E1—被包容件材料的彈性模量(MPa)；E2—包容件材料的彈性模量(MPa)；µ1—被包容件材料的泊松比；µ2—包容件材料的泊松比；C1—被包容件的剛度系數(shù)；C2—包容件的剛度系數(shù)；d1—被包容件的內(nèi)徑(mm)；d2—包容件的外徑(mm)；d—配合面外徑(mm)。

　　根據(jù)壓力的計(jì)算公式，可得配合表面Z大應(yīng)力（單位N）：

　　式中：S—行星輪與軸承過(guò)盈配合表面面積；d—配合面的公稱直徑；l—配合面長(zhǎng)度(mm)。

　　設(shè)行星輪與軸承過(guò)盈配合表面靜摩擦系數(shù)為f，得配合面上所能產(chǎn)生的軸向摩擦阻力（單位N）：

　　配合尺寸同前，可得滑移臨界力矩（單位kNm）：

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)中，當(dāng)行星輪與軸承過(guò)盈配合表面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩T時(shí)，則應(yīng)保證在此轉(zhuǎn)矩作用下不產(chǎn)生切向滑移。亦在轉(zhuǎn)矩T的作用下，轉(zhuǎn)矩T應(yīng)小于或者等于配合表面間所產(chǎn)生的滑移臨界力矩Mf。

　　3.不同過(guò)盈量與滑移臨界力矩的關(guān)系

　　不同過(guò)盈量下的行星輪與軸承的滑移力矩臨界值如表1所示。

　　通過(guò)表1可知，行星輪與軸承過(guò)盈配合表面需要的滑移臨界力矩隨著過(guò)盈量的增加而增加，以齒輪箱行星輪系為例，當(dāng)過(guò)盈量為15µm時(shí)，通過(guò)過(guò)盈可傳遞的摩擦扭矩很小，在摩擦系數(shù)µ=0.05時(shí)，一級(jí)行星輪上只需要有7.69kNm的轉(zhuǎn)矩即可導(dǎo)致行星輪孔內(nèi)表面與軸承外表面發(fā)生全面滑移。

　　表1過(guò)盈產(chǎn)生的Z大正應(yīng)變?yōu)槔碚撝?，在輸入載荷的作用下，行星輪內(nèi)表面與軸承外表面之間的應(yīng)變有一定的變化。在不同過(guò)盈量的條件下，行星輪孔內(nèi)表面與軸承外表面之間的應(yīng)變的分布趨勢(shì)如圖2所示。其中行星輪與軸承外徑之間的摩擦系數(shù)均按0.15進(jìn)行計(jì)算。

　　通過(guò)圖2可知，在額定載荷作用下，盡管行星輪內(nèi)表面與軸承外表面之間的應(yīng)變有一定的變化，但由于受載接觸區(qū)域變化等問(wèn)題，行星輪內(nèi)表面與軸承外表面之間有近一半?yún)^(qū)域的應(yīng)變幾乎為零。根據(jù)圖2中的應(yīng)變分布云圖，取其均值來(lái)分析，在15µm的過(guò)盈下，一級(jí)行星輪上也只需要27.06Nm的轉(zhuǎn)矩即可導(dǎo)致行星輪孔內(nèi)表面與軸承外表面發(fā)生全面滑移。

　　4.結(jié)論

　　通過(guò)上述分析可知，風(fēng)電行星輪系在較小的過(guò)盈量和摩擦系數(shù)條件下只需要較小的轉(zhuǎn)矩即可導(dǎo)致行星輪內(nèi)表面與軸承外表面發(fā)生全面滑移。因此，根據(jù)目前兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱載荷等級(jí)判斷，行星輪孔內(nèi)表面與軸承外表面之間的打滑不可避免。

　　結(jié)合過(guò)盈量、摩擦系數(shù)對(duì)滑移臨界力矩的影響，綜合考慮齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建議通過(guò)以下措施改進(jìn)滑移帶來(lái)的損害：1）適當(dāng)增加過(guò)盈量；2）增大行星輪輪緣壁厚；3）根據(jù)國(guó)內(nèi)Z新標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)行星輪內(nèi)孔做硬化處理；4）涂抹抗滑移潤(rùn)滑脂；5）行星輪軸承采用無(wú)外圈結(jié)構(gòu)或滑動(dòng)軸承。

　　作者簡(jiǎn)介：　

　　馬艷青　男　華北電力大學(xué)碩士研究生

　　孫黎企業(yè)導(dǎo)師

（文章來(lái)源：“新能源人才與市場(chǎng)”）