基于热网络法的风电机组主轴承温度场分析

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.11.018

摘要/Abstract

摘要：

针对结构型式为三排圆柱滚子的风电机组主轴承的发热温升问题，建立了一种基于热网络法的轴承温度场分析方法。通过对轴承滚子进行切片处理，利用变形协调条件建立轴承的受力平衡方程组，求解得到滚子切片载荷，并对滚子切片与滚道表面之间的滑动运动进行分析；然后，根据轴承零件之间的载荷作用和相对滑动运动，得到滚子、滚道、保持架和密封圈相互接触部位的摩擦热源发热功率；最后，根据轴承的摩擦发热部位及内部具体结构，采用热网络法设置轴承内部的网络节点，并建立轴承的热网络平衡方程组。针对具体的2.0 WM风电机组主轴承，求解分析了润滑黏度、轴向游隙、滚子数量及转速对轴承温度的影响。

关键词: 风电机组, 主轴承, 三排圆柱滚子, 热网络, 温度场

Abstract:

Based on thermal network method，a bearing temperature field analysis method was established to address the heating and temperature rise problems of the main bearings in wind turbine with a three-row cylindrical roller structure. By slicing the rollers of the bearings， a force balance equation system of the bearings was established by using deformation coordination conditions， the roller slice loads were obtained by solving the equation systems. The sliding motions between the roller slices and the raceway surfaces were also analyzed. Then， based on the load actions and relative sliding motions between the bearing parts， the heat generation powers of the friction heat source at the contact positions of the rollers， raceways， retainers and sealing rings were obtained. Finally， according to the friction heating positions and specific internal structures of the bearings， the thermal network method was used to set up the internal network nodes of the bearings， and the thermal network balance equation system of the bearings was established. For a specific the main bearing in a 2.0 MW wind turbine， the effects of lubrication viscosity， axial clearance， roller number and rotational speed on bearing temperature were solved and analyzed.

Key words: wind turbine, main bearing, three-row cylindrical roller, thermal network, temperature field

中图分类号:

TH122

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图/表 15

图1 三排圆柱滚子风电机组主轴承1.外圈2.内圈　3.上风向滚子　4.上风向保持架5.径向保持架6.径向滚子　7.下风向滚子8.下风向保持架　9.双唇密封圈

Fig.1 Main bearing of wind turbine with three-row cylindrical roller

图2 滚子-滚道相对滑动

Fig.2 Roller-raceway relative sliding

图3 轴承温度节点布置图

Fig.3 Layout diagram of bearing temperature nodes

图4 轴承热网络模型

Fig.4 Thermal network model of bearing

表1 主轴承的结构参数

Tab.1 Structural parameters of main bearing

滚子类型

分布圆

直径/ $m m$

滚子

直径/ $m m$

滚子

长度/ $m m$

表1 主轴承的结构参数

Tab.1 Structural parameters of main bearing

滚子类型

分布圆

直径/ $m m$

滚子

直径/ $m m$

滚子

长度/ $m m$

滚子数量

上风向滚子

2040

116

下风向滚子

2050

116

径向滚子

2156

170

图5 轴承温度节点温度分布（℃）

Fig.5 Temperature distribution of bearing temperature nodes（℃）

图6 有限元网格模型

Fig.6 Finite element mesh model

图7 温度场的有限元分析结果

Fig.7 Finite element analysis results of temperature field

表2 热网络法与有限元法计算结果对比

Tab.2 Comparison of calculated results between thermal network method and finite element method

位置	温度值/℃		误差/%
位置	热网络法	有限元法	误差/%
上风向滚子中心	78.2	80.2	2.5
下风向滚子中心	76.2	76.1	0.1
径向滚子中心	72.4	74.7	3.2
上风向内滚道	77.5	79.9	3.1
下风向内滚道	76.9	77.4	0.7
径向内滚道	75.1	77.2	2.8
外圈外表面	68.3	70.8	3.7
内圈外表面	76.4	74.1	3.0

图8 轴承温度的监控曲线

Fig.8 Monitoring curve of bearing temperature

图9 轴承温度的频数分布

Fig.9 Frequency distribution of bearing temperature

图10 润滑油黏度对温度的影响

Fig.10 Effect of lubricant viscosity on temperature

图11 轴向游隙对温度的影响

Fig.11 Effect of axial clearance on temperature

图12 滚子数量对温度的影响

Fig.12 Effect of roller number on temperature

图13 转速对温度的影响

Fig.13 Effect of rotational speed on temperature

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