风机变桨轴承齿面磨损与齿轮可靠度分析
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收稿日期：２０１８－０３－１３；修回日期：２０１８－０９－０４ 作者简介：张立柱（１９９１—），男，山东德州人，机械工程师， 主要从事风力发电机组的结构设计，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｌｉｚｈｕ＠ ｊｎ．ｃｒｒｃｗｉｎｄ．ｃｏｍ。
图 １ 轴承齿面磨损 Ｆｉｇ．１ Ｗｅａｒｏｎｔｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅｏｆｂｅａｒｉｎｇ
Ｂ为轴承齿面齿宽；Ｒ′１，Ｒ′２ 为接触面的曲率半径。
渐开线齿廓的变桨齿轮啮合位置示意图如图
４所示。图中：ｒｂ１，ｒｂ２分别为两齿轮的基圆半径；Ｑ 为两齿轮分度圆的交点；Ｎ１，Ｎ２ 分别为两齿轮渐 开线的发生线与基圆的切点。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｉｓｓｅｖｅｒｅｗｅａｒｏｎｔｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｐｉｔｃｈｂｅａｒｉｎｇｓｉｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ．Ｔｈｅｗｅａｒｏｆｔｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅｓｉｓａｎａ ｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｍｅｓｈｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｇｅａｒｓａｎｄＨｅｒｔｚｃｏｎｔａｃｔｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓｏｆｔｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅｓａｎｄａｎｇｌｅ ｒａｎｇｅｏｆｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｗｅａｒｏｆｇｅａｒｓｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂａｓｅｄ ｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｏａｄｃａｐａｃｉｔｙｏｆｇｅａｒｓ．Ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｅｘａｍｐｌｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗｅａｒｏｎｔｏｏｔｈ ｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｐｉｔｃｈｂｅａｒｉｎｇｓｉｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｔｃｈｂｅａｒｉｎｇ；ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ｇｅａｒ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｗｅａｒ
ＩＣＳＮＳ４Ｎ１１０－０１０１４－８３／７Ｔ６Ｈ２ Ｂ轴ｅａ承ｒｉｎ ｇ２２００１１９９年，Ｎ１ｏ期．１ ３２－３５ ＤＯＩ：１０．１９５３３／ｊ．ｉｓｓｎ１０００－３７６２．２０１９．０１．００９
风机变桨轴承齿面磨损与齿轮可靠度分析
张立柱，赵登利
１ 概述
目前国内兆瓦级风电机组主要采用电动变桨 方式实现功率控制。变桨轴承安装于叶片与轮毂 之间，通过变 桨 驱 动 齿 轮 与 变 桨 轴 承 内 圈 齿 轮 的 啮合使叶片绕其轴线旋转，实现桨距角的控制，达 到变桨目的。该变桨传动系统属于典型的开式齿 轮传动。根据 市 场 应 用 情 况，变 桨 轴 承 齿 面 的 主 要失效形式为齿面磨损。某 １．５ＭＷ 机组变桨轴 承内齿轮磨损如图 １所示，由图可知，轴承齿面轴 向和径向均 有 磨 损 痕 迹，且 齿 轮 齿 宽 方 向 上 磨 损 量不均匀，初始啮合位置磨损比较明显，由齿厚测 量工具测得其最大磨损量已达 ０．４ｍｍ。
（山东中车风电有限公司 风电装备研究所，济南 ２５００２２）
摘要：针对风电机组变桨轴承内齿面出现较大程度磨损的情况，基于齿轮啮合原理和 Ｈｅｒｔｚ接触理论对齿面磨 损进行分析，得到变桨轴承齿面接触应力和出现微动磨损的角度范围；根据齿轮承载能力分析，得到齿轮可靠 度与磨损量的计算关系，并通过某机型变桨轴承内齿面磨损实例分析验证该方法的可靠性。 关键词：变桨轴承；风力发电机；齿轮；可靠度；磨损 中图分类号：ＴＨ１３３．３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００－３７６２（２０１９）０１－００３２－０４
张立柱，等：风机变桨轴承齿面磨损与齿轮可靠度分承受载特性 风电机组 正 常 运 行 时，叶 片 根 部 载 荷 主 要 由
变桨轴承承担。对于上风向和非大风速失速状态 的风电机组，叶片根部所承受的载荷主要有风剪、 偏航率等引起的气动载荷和重力、惯性力、陀螺力 矩等力学载 荷，同 时，在 变 桨 轴 承 工 作 期 间，叶 片 还要承受来 自 阵 风 以 及 控 制 机 构 产 生 的 启 动、停 车、紧急刹车、变矩和脱网等动作引起的载荷。
变桨轴 承 内 圈 齿 轮 磨 损 已 成 为 行 业 普 遍 现 象，且尚无很好的解决方案。因此，结合实际应用 情况，从变桨 轴 承 承 载、轴 承 装 配、齿 面 润 滑 及 变 桨控制等方 面 分 析 齿 轮 传 动 的 磨 损 原 因，并 基 于 齿轮承载能 力 分 析，研 究 齿 轮 可 靠 度 与 磨 损 量 的 计算关系，以 期 为 提 出 降 低 齿 面 磨 损 的 可 行 性 方 案和提高变桨轴承使用寿命提供参考。
叶片根部局部坐标系如图 ２所示，变桨轴承 承受径向 力、轴 向 力 和 倾 覆 力 矩 的 综 合 作 用。 其 中，ＭｘＢ，ＭｙＢ为变桨轴承承受的倾覆力矩；ＭｚＢ为变 桨轴承承受 的 叶 片 沿 中 心 线 方 向 的 扭 矩，主 要 由 驱动齿轮与 变 桨 轴 承 内 齿 轮 的 啮 合 力 承 担，其 包 含变桨轴承内 的 摩 擦 力 矩；ＦｘＢ，ＦｙＢ为 变 桨 轴 承 承 受的径向力；ＦｚＢ为变桨轴承承受的轴向力，主要由 叶片的重力和离心力产生。
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＷｅａｒｏｆＴｏｏｔｈＳｕｒｆａｃｅｓａｎｄＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＧｅａｒｓｆｏｒ ＰｉｔｃｈＢｅａｒｉｎｇｓｉｎＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ
ＺＨＡＮＧＬｉｚｈｕ，ＺＨＡＯＤｅｎｇｌｉ
（ＷｉｎｄＰｏｗｅｒＥｑｕｉｐｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＲＲＣＷｉｎｄＰｏｗｅｒ（Ｓｈａｎｄｏｎｇ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ２５００２２，Ｃｈｉｎａ）
图 ３ 啮合区域示意图
Ｆｉｇ．３ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｍｅｓｈｉｎｇａｒｅａ
( ) ４Ｐ １－ν２１ ＋１－ν２２
ａ＝
Ｅ１
Ｅ２ ，
槡 ( ) πＢ
１ Ｒ１′
±Ｒ１２′
ｐ０ ＝π２ａＰＢ，
（１） （２）
Ｐ ＝ ＭｚＢ ， ｒ２ｃｏｓα
式中：Ｐ为接触法向力；ｒ２ 为轴承内齿轮的节圆半 径；ν１，ν２为材料泊松比；Ｅ１，Ｅ２ 为材料弹性模量；
图 １ 轴承齿面磨损 Ｆｉｇ．１ Ｗｅａｒｏｎｔｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅｏｆｂｅａｒｉｎｇ
Ｂ为轴承齿面齿宽；Ｒ′１，Ｒ′２ 为接触面的曲率半径。
渐开线齿廓的变桨齿轮啮合位置示意图如图
４所示。图中：ｒｂ１，ｒｂ２分别为两齿轮的基圆半径；Ｑ 为两齿轮分度圆的交点；Ｎ１，Ｎ２ 分别为两齿轮渐 开线的发生线与基圆的切点。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｉｓｓｅｖｅｒｅｗｅａｒｏｎｔｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｐｉｔｃｈｂｅａｒｉｎｇｓｉｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ．Ｔｈｅｗｅａｒｏｆｔｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅｓｉｓａｎａ ｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｍｅｓｈｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｇｅａｒｓａｎｄＨｅｒｔｚｃｏｎｔａｃｔｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｔｒｅｓｓｏｆｔｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅｓａｎｄａｎｇｌｅ ｒａｎｇｅｏｆｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｗｅａｒｏｆｇｅａｒｓｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂａｓｅｄ ｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｏａｄｃａｐａｃｉｔｙｏｆｇｅａｒｓ．Ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｅｘａｍｐｌｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗｅａｒｏｎｔｏｏｔｈ ｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｐｉｔｃｈｂｅａｒｉｎｇｓｉｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｔｃｈｂｅａｒｉｎｇ；ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ｇｅａｒ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｗｅａｒ
ＩＣＳＮＳ４Ｎ１１０－０１０１４－８３／７Ｔ６Ｈ２ Ｂ轴ｅａ承ｒｉｎ ｇ２２００１１９９年，Ｎ１ｏ期．１ ３２－３５ ＤＯＩ：１０．１９５３３／ｊ．ｉｓｓｎ１０００－３７６２．２０１９．０１．００９
风机变桨轴承齿面磨损与齿轮可靠度分析
张立柱，赵登利
１ 概述
目前国内兆瓦级风电机组主要采用电动变桨 方式实现功率控制。变桨轴承安装于叶片与轮毂 之间，通过变 桨 驱 动 齿 轮 与 变 桨 轴 承 内 圈 齿 轮 的 啮合使叶片绕其轴线旋转，实现桨距角的控制，达 到变桨目的。该变桨传动系统属于典型的开式齿 轮传动。根据 市 场 应 用 情 况，变 桨 轴 承 齿 面 的 主 要失效形式为齿面磨损。某 １．５ＭＷ 机组变桨轴 承内齿轮磨损如图 １所示，由图可知，轴承齿面轴 向和径向均 有 磨 损 痕 迹，且 齿 轮 齿 宽 方 向 上 磨 损 量不均匀，初始啮合位置磨损比较明显，由齿厚测 量工具测得其最大磨损量已达 ０．４ｍｍ。
（山东中车风电有限公司 风电装备研究所，济南 ２５００２２）
摘要：针对风电机组变桨轴承内齿面出现较大程度磨损的情况，基于齿轮啮合原理和 Ｈｅｒｔｚ接触理论对齿面磨 损进行分析，得到变桨轴承齿面接触应力和出现微动磨损的角度范围；根据齿轮承载能力分析，得到齿轮可靠 度与磨损量的计算关系，并通过某机型变桨轴承内齿面磨损实例分析验证该方法的可靠性。 关键词：变桨轴承；风力发电机；齿轮；可靠度；磨损 中图分类号：ＴＨ１３３．３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００－３７６２（２０１９）０１－００３２－０４
张立柱，等：风机变桨轴承齿面磨损与齿轮可靠度分承受载特性 风电机组 正 常 运 行 时，叶 片 根 部 载 荷 主 要 由
变桨轴承承担。对于上风向和非大风速失速状态 的风电机组，叶片根部所承受的载荷主要有风剪、 偏航率等引起的气动载荷和重力、惯性力、陀螺力 矩等力学载 荷，同 时，在 变 桨 轴 承 工 作 期 间，叶 片 还要承受来 自 阵 风 以 及 控 制 机 构 产 生 的 启 动、停 车、紧急刹车、变矩和脱网等动作引起的载荷。
变桨轴 承 内 圈 齿 轮 磨 损 已 成 为 行 业 普 遍 现 象，且尚无很好的解决方案。因此，结合实际应用 情况，从变桨 轴 承 承 载、轴 承 装 配、齿 面 润 滑 及 变 桨控制等方 面 分 析 齿 轮 传 动 的 磨 损 原 因，并 基 于 齿轮承载能 力 分 析，研 究 齿 轮 可 靠 度 与 磨 损 量 的 计算关系，以 期 为 提 出 降 低 齿 面 磨 损 的 可 行 性 方 案和提高变桨轴承使用寿命提供参考。
叶片根部局部坐标系如图 ２所示，变桨轴承 承受径向 力、轴 向 力 和 倾 覆 力 矩 的 综 合 作 用。 其 中，ＭｘＢ，ＭｙＢ为变桨轴承承受的倾覆力矩；ＭｚＢ为变 桨轴承承受 的 叶 片 沿 中 心 线 方 向 的 扭 矩，主 要 由 驱动齿轮与 变 桨 轴 承 内 齿 轮 的 啮 合 力 承 担，其 包 含变桨轴承内 的 摩 擦 力 矩；ＦｘＢ，ＦｙＢ为 变 桨 轴 承 承 受的径向力；ＦｚＢ为变桨轴承承受的轴向力，主要由 叶片的重力和离心力产生。
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＷｅａｒｏｆＴｏｏｔｈＳｕｒｆａｃｅｓａｎｄＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＧｅａｒｓｆｏｒ ＰｉｔｃｈＢｅａｒｉｎｇｓｉｎＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ
ＺＨＡＮＧＬｉｚｈｕ，ＺＨＡＯＤｅｎｇｌｉ
（ＷｉｎｄＰｏｗｅｒＥｑｕｉｐｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＲＲＣＷｉｎｄＰｏｗｅｒ（Ｓｈａｎｄｏｎｇ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ２５００２２，Ｃｈｉｎａ）
图 ３ 啮合区域示意图
Ｆｉｇ．３ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｍｅｓｈｉｎｇａｒｅａ
( ) ４Ｐ １－ν２１ ＋１－ν２２
ａ＝
Ｅ１
Ｅ２ ，
槡 ( ) πＢ
１ Ｒ１′
±Ｒ１２′
ｐ０ ＝π２ａＰＢ，
（１） （２）
Ｐ ＝ ＭｚＢ ， ｒ２ｃｏｓα
式中：Ｐ为接触法向力；ｒ２ 为轴承内齿轮的节圆半 径；ν１，ν２为材料泊松比；Ｅ１，Ｅ２ 为材料弹性模量；