【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风电机组主轴轴承动力学，具体涉及变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法及结构优化方法。
技术介绍
1、随着科学技术的进步，人类在利用传统能源的同时积极探索可再生能源，以此来替代传统的不可再生的能源。在新能源的探索中，太阳能、风能等作为最具代表性的新能源，其利用及发展得到了人们的重视。根据已经探测的结果，目前可被利用的风能，占风能总量的0.1％，相当于十倍可供人类开发利用的水资源。风力发电是对风能利用的主要形式，与太阳能、核能和生物能等发电方法相比，其发电厂的建造周期短，地理环境要求较低。
2、风能作为最具有竞争力和发展前景的可再生清洁能源之一，已成为一种发展最快的能源产业。
3、轴承作为关键的基础零部件之一，在风电设备中有着举足轻重的作用。轴承失效引发故障所导致的停机时间，在整个机组总停机时间中占着极大比例，是影响机组可靠性的主要原因之一。随着大功率机型的开发应用，轴承部件的尺寸、质量、系统复杂程度都在增加，其失效机理研究已成为长寿命、高可靠性风电装备制造中的世界性难题。轴承技术门槛较高,随着直驱式、半直驱式风电机组的迅速发展，作为风力发电机组系统关键支撑结构的主轴承，对总体风机系统的可靠性和寿命质量起着非常重要的作用，而三排圆柱滚子轴承正逐渐成为主轴承应用主流。
4、风电机组主轴轴承要承担叶轮传导的强大的径向和轴向作用力，需要主轴轴承有足够的硬度、强度、抗冲击性能，同时要有较少的缺陷，防止过早疲劳。再加上主轴轴承工作环境恶劣，寿命要求达到25年或者更高。因此，风电机组主轴轴承在设
5、在风电主轴轴承生产过程中，通常需要进行动力学仿真，得到不同工况、结构参数下关键表征参数的动力学演变规律，以指导产品的可靠性设计。其中，三排圆柱滚子轴承常应用于盾构机、风力发电机等重大装备，更换困难，出现故障会严重影响生产，导致较大经济损失，因此对其寿命、可靠性要求高。三排圆柱滚子轴承具有尺寸大，套圈变形大，滚子多，转速低等特点，需综合考虑套圈变形以及复杂接触进行轴承接触力学特性分析与修形设计，以满足轴承长寿命、高可靠性的要求。
6、目前，对于轴承载荷分布、接触特性以及轴承寿命等方面的研究，主要集中在球轴承，而对于三排圆柱滚子轴承载荷分布和接触特性的研究相对较少。常用的三排圆柱滚子轴承所受载荷一般为偏心载荷。除了承受轴向载荷和径向载荷外，还需要承受倾覆力矩。由于其结构复杂、尺寸大、服役载荷多变，经典轴承设计理论并不完全适用于该类大型轴承，而且对于其疲劳寿命的评估预测仍有众多关键问题迫切需要研究。
7、对风电主轴轴承的动力学仿真模拟得出的结果可以指导轴承设计生产，提高风电主轴轴承的可靠性与安全性，但是现有对风电机组主轴轴承的仿真基本是在刚性体恒载恒速的条件下进行探究，虽然得出来的结论在某些瞬态情况是正确的，但是对于长期的动态过程，这种仿真模拟方法仍值得商榷。实际的风电主轴轴承承受变速变载的服役工况，且驱动副在空间中应当处于受重力的自由状态，在此种约束条件下进行的模拟仿真所得结果才是真实的，值得进一步分析的。
技术实现思路
1、本专利技术为解决上述问题，提出了变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法及结构优化方法，以真实准确地对风电主轴轴承进行仿真，为改进风电主轴轴承设计参数、改进加工工艺提供可靠的依据，并有利于提高轴承性能和整机寿命，满足客户对风电机组的技术与服役时长要求。
2、本专利技术通过以下技术方案来实现：
3、变速变载风电轴承刚柔耦合动力学仿真方法，包括以下步骤：
4、步骤1、利用刚柔耦合动力学方法输出刚柔耦合轴承模型；
5、步骤2、对刚柔耦合轴承模型设置相关仿真参数；
6、步骤2.1、在adams仿真软件内建立七个远端方块模型，作为adams中设置转动副的其中一个施加对象；
7、步骤2.2、为对应的轴承零件设置相应的零件材料、零件间接触力及相关约束；
8、步骤2.3、设置变载、变速时变数据并作为数据单元导入，创建一般力矢量、设置速度函数并应用数据单元作用于轴承质心；
9、步骤3、进行仿真计算，得出相关表征参数计算数值，进行结果分析对比，得出最优风电主轴轴承的结构参数从而指导风电主轴轴承的设计。
10、进一步的，步骤1中得到刚柔耦合轴承模型包括以下步骤：
11、s1、获取风电主轴轴承相关结构参数；
12、s2、利用立体建模软件对风电主轴轴承进行三维建模；
13、s3、将轴承零件三维模型导入ansys静力学分析软件中，设置相关驱动、约束、仿真模态阶数；
14、s4、在ansys软件中对轴承零件进行柔性化计算，导出.mnf文件；
15、s5、将在ansys中导出的.mnf文件导入adams软件中，替换掉从步骤2建模完毕后直接导入adams的纯刚体初始模型；
16、s6、输出刚柔耦合轴承模型。
17、进一步的，所述s1需要根据不同功率型号的风电机组获取对应的风电主轴轴承结构参数进行建模；并且得到轮毂中心处极限载荷谱、等效疲劳载荷谱、风速载荷频次表数据进行变速变载工况的设置。
18、进一步的，其中s3中轴承零件包括径向保持架、推力保持架、内圈、外圈；s4中在ansys软件中对轴承零件进行柔性化计算时应先进行单位统一。
19、进一步的，步骤2.1中7个远端方块包括位于中心的中心远端方块以及围绕中心远端方块四周并暴露在外界的6个外围远端方块，其中6个外围远端方块将设置固定副，固定于空间当中，中心远端方块将处于空间自由无约束有接触状态。
20、进一步的，所述轴承为三排圆柱滚子轴承，步骤2.2中零件间接触力包括：径向滚子、前端推力滚子、后端推力滚子与第一内圈、第二内圈和外圈的刚性体——柔性体的接触力；径向保持架、前端推力保持架、后端推力保持架与径向滚子、前端推力滚子、后端推力滚子的柔性体——刚性体的接触力；径向保持架、前端推力保持架、后端推力保持架与第一内圈、第二内圈和外圈的柔性体——柔性体的接触力。
21、进一步的，步骤2.2中相关约束包括：添加各个部件的质心，添加暴露在外界六个外围远端方块、主轴轴承外圈与大地间的固定副，添加第一内圈、第二内圈与中心远端方块的旋转副。
22、进一步的，所述步骤2还包括接触力学模型的建立，所述轴承为三排圆柱滚子轴承，其所受的轴向力和倾覆力矩的平衡方程组为：
23、
24、式中：和为任意位置角处第一、二、三排滚子所承受的载荷，ψ为第三排滚子位置角，fa为第一排和第二排滚子承受轴向力，m为倾覆力矩，fr为第三排滚子承受径向力，下标a表示轴向，下标r表示径向，为第一排滚子分度圆直径；为第二排滚子分度圆直径。
25、进一本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：步骤1中得到刚柔耦合轴承模型包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：S1中需要根据不同功率型号的风电机组获取对应的风电主轴轴承结构参数进行建模；并且得到轮毂中心处极限载荷谱、等效疲劳载荷谱、风速载荷频次表数据进行变速变载工况的设置。
4.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：S3中轴承零件包括径向保持架、推力保持架、内圈、外圈；S4中在ANSYS软件中对轴承零件进行柔性化计算时应先进行单位统一。
5.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：步骤2.1中7个远端方块包括位于中心的中心远端方块以及围绕中心远端方块四周并暴露在外界的6个外围远端方块，其中6个外围远端方块将设置固定副，固定于空间当中，中心远端方块将处于空间自由无约束有接触状态。
6.根据权利要求1所述的变速变载
7.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：步骤2.2中相关约束包括：添加各个部件的质心，添加暴露在外界六个外围远端方块、主轴轴承外圈与大地间的固定副，添加第一内圈、第二内圈与中心远端方块的旋转副。
8.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：所述步骤2还包括接触力学模型的建立，所述轴承为三排圆柱滚子轴承，其所受的轴向力和倾覆力矩的平衡方程组为：
9.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：步骤2还包括最大表面接触应力、轴承各部件间的接触关系用Impact接触力函数的计算，其中最大表面接触应力为：
10.变速变载风电轴承结构优化方法，其特征在于：采用如权利要求1～9任意一项所述的仿真方法对风电主轴轴承进行多次仿真分析，每次仿真分析对风电主轴轴承设置不同的参数，根据仿真分析结果得到最佳的参数方案，从而对风电主轴轴承进行结构优化。
...【技术特征摘要】
1.变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：步骤1中得到刚柔耦合轴承模型包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：s1中需要根据不同功率型号的风电机组获取对应的风电主轴轴承结构参数进行建模；并且得到轮毂中心处极限载荷谱、等效疲劳载荷谱、风速载荷频次表数据进行变速变载工况的设置。
4.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：s3中轴承零件包括径向保持架、推力保持架、内圈、外圈；s4中在ansys软件中对轴承零件进行柔性化计算时应先进行单位统一。
5.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：步骤2.1中7个远端方块包括位于中心的中心远端方块以及围绕中心远端方块四周并暴露在外界的6个外围远端方块，其中6个外围远端方块将设置固定副，固定于空间当中，中心远端方块将处于空间自由无约束有接触状态。
6.根据权利要求1所述的变速变载风电轴承刚柔耦合动态仿真方法，其特征在于：所述轴承为三排圆柱滚子轴承，步骤2.2中零件间接触力包括：径向滚子、前端推力滚子、后端推力滚子与...
【专利技术属性】
技术研发人员：庞晓旭，朱定康，邱明，李迎春，李军星，董艳方，杨传猛，杜辉，刘铎，杨明宣，左旭，杨明皓，李朋华，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：
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