01、背景描述

上一篇文章中基于疲劳分析理论和相应的修正方法，对风机变桨轴承的疲劳寿命进行了计算分析。受极端气候条件、复杂服役载荷的综合作用，由轴承失效引发的故障越来越多，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普遍性难题。

变桨轴承对于风电系统的正常运行及可靠性有着重要的作用，它承受交变多源载荷，工作环境严酷，所以磨损、疲劳失效问题时有发生。但由于其安装在高40-100m的塔架上，维护与安装极为不便，成本高昂。

图1-1 风机的内部结构与变桨轴承位置

02、建模方法

变桨轴承滚珠直径一般为 30-75mm，且滚珠与螺栓数量为几十到几百个，可见变桨轴承模型大，接触多;如果对轴承进行全模型分析，就需要建与滚珠、相同数量的接触对，这就对计算机的计算能力以及计算时间提出了很高的要求，且不容易收敛，计算效率低。因此，对变桨轴承的滚珠—滚道进行简化模拟很有必要。

图2-1 变桨轴承结构示意及简化方法

考虑到滚道表面通过会进行激光淬火硬化，故需要建立带有激光表面淬火硬化层的有限元分析模型，如上图下右所以。模型共分三层，分别为硬化层、过渡层、核心层。三层材料赋予不同的弹性模量、泊松比、疲劳强度因子、疲劳强度分量、疲劳延展性因子、疲劳延展性系数、循环应变加强系数、循环应力因子、抗拉强度。

03、疲劳影响因素

(1)硬化层深对疲劳寿命影响

对硬化层深度为2mm、4mm、6mm、8mm和10mm的滚道依次进行有限元疲劳寿命计算，随硬化层深度的增加，疲劳寿命的变化如下图3-1结果所示：

图3-1 滚道不同硬化层深度对应的疲劳寿命结果

将不同深度的硬化层对疲劳寿命影响的分析结果汇总，得到寿命分布直方图如下3-2所示：

图3-2 不同硬化层寿命结果统计直方图

通过不同硬化层深度下滚道的疲劳寿命变化可知：(1)随着硬化层加深，滚道疲劳寿命增大;(2)当硬化层深度增至其理论硬化层深之后，疲劳寿命随硬化层增加时的提升变缓;(3)未经表面硬化的滚道其疲劳寿命仅为不到500次载荷循环，远远低于仅有2mm硬化层深的滚道疲劳寿命，由此滚道表面是否硬化处理对其疲劳寿命的影响十分显著。

(2)不同载荷下的寿命变化

对硬化层深度DS=8mm的滚道分别施加F=180kN、F=140kN和F=100kN三种大小不同的载荷，研究不同载荷对滚道疲劳寿命的影响如下图3-3所示：

图3-3 深度DS=8mm时不同载荷下的疲劳寿命

将不同载荷对疲劳寿命影响的分析结果汇总，得到寿命分布直方图如下3-4所示：

图3-4 DS=8mm模型不同载荷下滚道的寿命变化趋势

分析载荷变化时寿命的计算结果可得：(1)随着所受载荷的降低，滚道疲劳寿命增大;(2)当载荷降至中低水平时，疲劳寿命均表现出显著突增，因此在轴承运行过程中应尽量避免极限载荷，通过设计制造装配等流程阶段的把控，使轴承的运转尽可能平稳，提高其疲劳寿命。

(3)粗糙度对寿命的影响

滚道与滚动体接触面上的粗糙度会影响滚道疲劳寿命，取硬化层深度DS=8mm的滚道，设定FR为滚道面粗糙度影响因子，当FR从1到0.9、0.6、0.3、0.1依次减小时，对应滚道面由精细到粗糙逐渐变化，通过改变滚道面粗糙度影响因子f得到疲劳寿命的计算结果如下图3-5所示：

图3-5 粗糙度变化时滚道的疲劳寿命结果

将滚道疲劳寿命随滚道表面粗糙度的变化的计算结果统计在如图3-6所示寿命分布直方图可得变化趋势：

图3-6 粗糙度对疲劳寿命的影响

上图中FR为滚道面粗糙度影响因子，当FR从1到0.9、0.6、0.3、0.1依次减小时，对应滚道面由精细到粗糙逐渐变化。

通过分析粗糙度影响因子变化时滚道寿命分布直方图可得：(1)当滚道表面粗糙度增大时，滚道的疲劳寿命会降低;(2)当滚道面较为光滑时，粗糙度的增大会给疲劳寿命带来显著影响;(3)为保证滚道运行可靠性，应通过严格的表面处理及合理的润滑方式等尽可能降低接触面的粗糙度，以提高其疲劳寿命。

(4)弹塑性材料对寿命的影响分析

本节探究忽略材料塑性特点对模型寿命分析结果的影响。选择没有硬化层的滚道模型，通过分别赋于模型弹性材料和弹塑性材料，分析其疲劳寿命。

由仿真结果可得：当忽略材料弹塑性后，通过应变疲劳算法中对弹塑性修正得到的疲劳寿命计算值为216.9次，考虑材料塑性特点的应变疲劳计算值为498.9次。可见在忽略材料的塑性特性后，疲劳寿命所得计算值偏小，如图3-7。

图3-7 不同材料设定对疲劳寿命的影响

材料线弹性与材料弹塑性的疲劳寿命计算结果存在明显差异。当考虑材料弹塑性时计算所得各项应力值均小于仅考虑材料线弹性时的计算结果。因此进行变桨轴承滚道应力分析及疲劳寿命计算时，需准确考虑材料的弹塑性特性，否则将对分析结果造成很大影响。此外，滚道没有硬化层时，疲劳寿命非常低，这也证明了在制造过程中进行表面淬火硬化的必要性。

04、总结

本文通过研究硬化层、载荷、表面粗糙度、材料弹塑性对疲劳分析结果的影响，说明了疲劳寿命预测需要注意的各个因素。为了结果的准确性，通常还需要开展一定的疲劳试验，校验仿真计算结果。

载荷是造成工件疲劳的直接原因，对及风机设备，在工作中会受到惯性力和重力载荷、空气动力载荷、离心载荷、冲击载荷等作用。要准确评估变桨轴承的寿命，需要对其载荷条件进行研究，包括变桨同步误差、安装表面平面度等引起的载荷分布变化。