特殊工况下转盘轴承损伤机理及在线监测

Slewing bearings are the joints of the wind turbine. The special working conditions determine its damage incentives.On one hand, Slewing bearing often works in the field where the temperature difference is large, and it is sensitive to temperature because of the large ring structure.On the other hand, because rolling and micro-moving always coexist, fretting damage is an important failure mode. Therefore, This preject will focus on the slewing bearing of wind turbine. Contact pressure distribution of slewing bearing raceway acted by both wind load and thermal load will be analyzed. Contact load spectrum between ball and raceway of slewing bearing will be established. A finite element modeling method will be explored, which is used to analyze crack initiation and growing in the contact area between ball and raceway. And this method can be used to get the stress field, displacement field, damage critical plane, multiaxial fatigue parameters and crack tip stress intensity factor in the contact area under rolling and micro-moving. Failure mechanism can be explored. The life model of slewing bearing will be established, which is used to optimize the design and maintenance. What's more, Choosing method of key features which reflect the damages and detecting method are also studied, an online monitoring system will be built, which monitor growing trend of the damage, is used in experimental validation of the life calculation model and can also provide guidance for operating and maintenance in the improvement of the lubrication conditions.

转盘轴承是风力发电机的关节，特殊的工况决定了其特殊的损伤诱因。一方面 工作于野外，温差大，大尺寸的环状结构形式对温度敏感；另一方面工作于滚动与微动复 合状态，微动损伤是其失效的重要因素。因此，本课题以风电转盘轴承为研究对象，研究风 电转盘轴承风力载荷与热载荷复合作用下的滚道接触压力分布规律，建立风电转盘轴承滚珠 和滚道接触的载荷谱，探索滚珠和滚道接触区域裂纹萌生及发展的有限元建模方法，求解滚 动和微动作用下接触区域的应力场、位移场、损伤临界面、多轴疲劳参数、裂纹尖应力强度 因子等，探讨风电转盘轴承滚动和微动作用下的损伤失效机理，建立风电转盘轴承概率-载 荷-寿命模型，提出优化设计和维护的建议。同时研究表征其损伤的关键特征信号的遴选方 法及测量方法，构建在线监测系统，监测损伤动态发展历程，对寿命计算模型进行实验验证， 也可为润滑条件的改善等运行保养措施提供指导。

本项目从转盘轴承接触载荷及承载能力研究、故障振动机理、微动滚动下的损伤研究、新型监测方案的提出以及在线寿命评估模型探讨和健康监测诊断系统研制等方面出发，开展了转盘轴承损伤机理以及在线监测的研究。主要成果如下：.（1）分析了一定载荷下转盘轴承的接触载荷与承载能力，建立风电转盘轴承滚道载荷分布模型, 该模型可以求解风电转盘轴承内部每个滚珠对滚道的接触载荷及接触变形、滚道接触区域的接触应力、滚道上最大接触载荷大小及位置等并开发相应CAD软件；此外，分析了不同结构参数对滚道承载能力的影响：滚道截面存在微量负间隙时承载能力最大；滚道曲率和滚珠直径的变化将导致转盘轴承最大接触载荷和最大接触应力呈现反向变化趋势，接触面积越大转盘轴承滚道静承载能力越大。.（2）针对风电转盘轴承存在的微动现象，研究了不同因素对于微动损伤的影响，给出了具有实际应用价值的建议：接触角为 45°，曲率比在 1.03 时具有较好的抗微动滚动损伤能力；此外，根据转盘轴承滚道损伤剥落尺寸，建立有限元模型并结合具体实验，研究滚道局部损伤对回转支承的影响，探索损伤振动信号的传播范围，为转盘轴承滚道损伤发展提供了理论基础。.（3）发明了具有转盘轴承特色的在线监测方案，磨损量监测及润滑油脂的自动加注方法通过润滑脂绝缘性能变化定量的判断润滑脂中金属微粒绝缘性能的变化，从而可以在线判断回转支承滚道磨损情况；基于光信号的分布式转盘轴承应力监测方案：监测和传输皆为光信号，不受电磁干扰，信号稳定；可安装在高温、高湿等恶劣环境中。二大监测方案很好的适应了转盘轴承的特殊工况以及自身特性，为其在线监测的准确率提供了保证。.（4）研究了基于概率可靠性、人工智能算法以及相似性理论的转盘轴承在线监测、预测模型。提出了回转支承的小样本加速寿命试验方法，建立了回转支承疲劳寿命的威布尔分布模型，进而实现了任意工况载荷下回转支承的可靠性寿命预测；二种人工智能模型仅通过采集的信号直接建立在线预测模型且取得了较好的精度效果；基于相似性的在线预测模型计算成本较小，可移植性强,具有较高的实际运用价值。此外，本项目结合以上研究，开发了一套具有信号采集、降噪、故障诊断、特征提取、失效率评估、剩余寿命预测等在线健康评估功能的在线监测诊断以及预测系统。