海上风力涡轮机中双支撑圆锥滚子轴承的承载性能与疲劳寿命

《Ocean Engineering》：Load-carrying performance and fatigue life of double-supported tapered roller bearing in offshore wind turbine

DTRB接触特性与疲劳寿命评估方法研究及其在6MW风电主轴中的应用，通过建立机械与有限元模型分析载荷分布，基于Palmgren-Miner理论计算全生命周期疲劳寿命，确定合理间隙范围（-270至-150μm）提升轴承可靠性。

　　近年来，随着全球对可再生能源需求的不断增长，风力发电技术受到了广泛关注。据《全球风能报告》2024显示，2023年全球新增风力发电装机容量达到了创纪录的117吉瓦。其中，海上风力发电因其优越的风能条件，逐渐成为全球能源战略的重要组成部分。然而，复杂的海洋环境和低效的维护策略导致海上风力发电系统中的关键部件故障率较高，这显著影响了风电场的经济效益。因此，研究和优化关键部件的性能成为提升海上风电系统可靠性与经济性的关键任务之一。

在海上半直驱风力发电系统中，双支撑锥孔滚子轴承（DTRB）是传动系统的重要组成部分，尤其在主轴系统中发挥着关键作用。由于运行过程中承受复杂且多变的载荷条件以及极端环境因素，大型锥孔滚子轴承更容易发生损坏。严重的机械故障会导致显著的停机时间和维护成本，从而严重降低风力发电设备的运行可靠性。因此，如何提升DTRB的承载性能和延长其使用寿命，成为当前研究的重点。

现有的研究多集中于局部接触分析或理论计算模型，但在实际风载条件下对DTRB的载荷分布进行系统建模和验证的研究仍显不足。此外，关于滚子形状优化、轴承预紧控制以及疲劳寿命的耦合机制的研究也较为有限。特别是在全生命周期载荷谱下，DTRB系统的预紧量对疲劳寿命的影响尚未得到充分研究。因此，本研究旨在开发一种综合的性能评估方法，用于对DTRB的接触行为和疲劳寿命进行定量预测和设计优化。

本研究的创新点在于提出了一种能够全面考虑实际风载条件的评估方法，系统地研究了DTRB的承载机制和疲劳寿命，从而有效地指导设计，优化接触行为，并提升疲劳寿命。研究方法包括理论模型的建立、有限元模型的构建以及实验验证。通过这些手段，研究团队希望为海上半直驱风力发电系统的DTRB设计提供科学依据和技术支持。

在理论模型方面，本研究建立了DTRB的准静态接触力学模型，用于分析其内部载荷分布。该模型考虑了轴承间隙的影响，能够更准确地反映实际运行条件下的载荷变化。此外，基于帕姆格伦-米纳理论（Palmgren–Miner theory），研究团队还构建了疲劳寿命计算模型，以评估DTRB在不同载荷条件下的使用寿命。通过理论模型的建立，研究团队能够对DTRB的载荷分布和接触应力进行系统分析，从而为后续的优化设计提供理论基础。

在有限元模型方面，研究团队根据德国ischer Lloyd（GL）指南，构建了风电主轴传动系统的有限元模型，并针对DTRB进行了局部化的精细化子模型分析。通过有限元分析技术，研究团队能够更准确地模拟DTRB在实际运行条件下的接触应力分布。该模型的建立和验证过程充分考虑了实际运行条件，确保其在模拟中的准确性。同时，通过实验测试，研究团队进一步验证了该模型的有效性，为后续的性能评估提供了实证支持。

在实验验证方面，研究团队通过实际测试验证了理论模型和有限元模型的有效性。实验结果显示，机械模型计算出的DTRB载荷分布与实验和有限元结果具有良好的一致性。这表明，理论模型能够准确反映实际运行条件下的载荷变化，为后续的优化设计提供了可靠依据。此外，实验还揭示了DTRB系统的预紧量对其疲劳寿命的影响。研究团队发现，通过合理控制DTRB的运行间隙范围，可以在一定程度上提升其疲劳寿命。

在结果分析方面，研究团队对6兆瓦风力发电机组的主轴DTRB进行了承载机制分析，并评估了其接触特性与安全性能。研究结果显示，DTRB的承载性能受到多种因素的影响，包括轴承间隙、预紧量以及载荷分布。通过分析这些因素，研究团队能够更全面地了解DTRB的运行特性，并为其优化设计提供科学依据。此外，研究团队还对DTRB的疲劳寿命进行了评估，结果显示，合理控制运行间隙范围可以显著提升其疲劳寿命。

在讨论部分，研究团队分析了DTRB在实际运行条件下的承载性能和疲劳寿命。研究结果表明，DTRB的承载性能受到多种因素的影响，包括轴承间隙、预紧量以及载荷分布。通过系统分析这些因素，研究团队能够更全面地了解DTRB的运行特性，并为其优化设计提供科学依据。此外，研究团队还发现，合理控制运行间隙范围可以显著提升DTRB的疲劳寿命。这表明，通过优化设计，可以有效延长DTRB的使用寿命，提高风力发电系统的可靠性。

在结论部分，研究团队总结了主要的研究成果。通过建立机械模型和有限元模型，研究团队能够对DTRB的承载机制和疲劳寿命进行系统分析。研究结果显示，合理控制运行间隙范围可以显著提升DTRB的疲劳寿命。此外，实验验证了理论模型和有限元模型的有效性，为后续的优化设计提供了实证支持。研究团队认为，这些研究成果对于提升海上半直驱风力发电系统的DTRB性能具有重要意义，同时也为相关领域的研究提供了新的思路和方法。

在作者贡献方面，Lu Ren负责撰写原始稿件、软件开发、方法论设计、调查研究、形式分析和概念化。Jianmei Wang负责撰写、审阅与编辑、监督和资金获取。Yanwei Yuan负责验证和软件开发。Bo Wang负责撰写、审阅与编辑和监督。Dunmiao Wang负责项目管理和形式分析。这些分工确保了研究工作的顺利进行，并为研究成果的发表提供了保障。

在利益冲突声明方面，研究团队声明他们没有已知的经济利益或个人关系可能影响本研究工作的报告。同时，所有作者都同意并批准了该论文的发表。

在致谢部分，研究团队感谢了山西省科技重大专项“公开招标择优立项”项目（202201060301015）和山西省重点研发计划项目（202302060301006）的资助。研究团队认为，这些资金支持对于完成本研究工作具有重要意义，并对资助方表示衷心感谢。

通过本研究的开展，研究团队希望能够为海上半直驱风力发电系统的DTRB设计提供科学依据和技术支持，从而提升其承载性能和延长使用寿命。同时，研究团队也希望为相关领域的研究提供新的思路和方法，推动风电技术的进一步发展。