一种风机用非对称调心滚子轴承及其设计方法与流程

1.本发明涉及轴承技术领域，具体为一种风机用非对称调心滚子轴承及其设计方法，主要应用于风力发电机械主轴位置。


背景技术：

2.调心滚子轴承(也被称为球面滚子轴承)主要应用于存在有轴不对中的机械场合，其调心性能允许传动轴轻微摆动。调心角一般为0～2
°
范围。可以承受径向载荷和轴向载荷。常用的调心滚子轴承为双列对称结构。而风机主轴因轴向力较大，往往造成双列调心滚子轴承的一列受载较大，另一列受载小甚至不受载的情况。随着国家对绿色能源的关注度提高，风机设备受到越来越大的重视。
3.文献“风电机组主轴用双列调心滚子轴承结果的优化设计(发表于《轴承》杂志2018年6期)”分析了风机主轴受力情况和双列调心滚子轴承的受载状况，针对单侧受载工况提出了非对称调心滚子结构，一列接触角为13.5
°
，另一列接触角为9.5
°
。改善了轴承内部的受载，提高了轴承使用寿命。但未详述其两列滚子详情。
4.专利cn111720434a(一种适用于轴向及径向偏载工况的调心滚子轴承及热处理工艺)公开了一种非对称调心滚子轴承，除了接触角不同外，另公开了两列滚子由长滚子和短滚子组成，短滚子的最大直径小于长滚子的最大直径。说明长滚子长度与短滚子长度的比值为(1.5-2.5):1；长滚子长度与内圈轴向长度的比值为(0.4-0.6):1；长滚子直径与短滚子直径的比值为(1-1.5):1。该比值仍在实际应用上缺乏可操作性，在轴承设计上无法较准确计算滚子尺寸、接触角大小等。对技术人员来说，无法在仅知轴承安装空间的前提下，依据某个流程计算轴承内部尺寸并绘制工程图纸。
5.专利cn212003955(一种提高单轴向承载能力的非对称双列调心滚子轴承)公开了一种宽外圈窄内圈结构的双列非对称双列调心滚子轴承，描述了双列滚子长度不同、直径不同，应用于水泥罐车，除结构描述外，未披露更多设计参数细节。
6.专利cn104389898(非对称结构调心滚子轴承)公开了一种尼龙保持架非对称双列调心滚子轴承，仅描述了一列大滚子，一列小滚子，未披露更多细节。
7.从以上现有技术可以看到，对非对称双列调心滚子轴承的认识多为结构上描述一列大滚子一列小滚子，接触角不同。具体可供工程技术人员操作的参数计算方法尚且没有，在已知轴承安装空间(轴承外形尺寸)的前提下，如何确定接触角大小，如何确定滚子尺寸尚无公开资料，非对称双列调心滚子轴承的设计和开发存在技术难题。


技术实现要素：

8.为解决上述技术问题，本发明提供一种风机用非对称调心滚子轴承及其设计方法。
9.本发明采用的技术方案是：一种风机用非对称调心滚子轴承，由外圈、内圈、a列球面滚子、b列球面滚子和保持架组成，其中a列球面滚子为短球面滚子，b列球面滚子为长球
面滚子，所述长球面滚子和短球面滚子具有相同的最大直径da、相同的球面半径ra以及不同的接触角，设定a列球面滚子的接触角宽度为b1，b列球面滚子的接触角宽度为b2，该外圈的辊道为连续半径值r的球面圆弧，其球心o在轴承中心线上宽度b1和b2的分界点处。一种风机用非对称调心滚子轴承的设计方法，包括如下步骤：s1、根据轴承已知的外形尺寸：内径d，外径d和总宽度b，设定接触角差值αc；s2、初定双列宽度比例m，获取a列球面滚子的接触角宽度为b列球面滚子的接触角宽度为s3、根据步骤s2的条件得到接触角；s4、计算接触角差值αc并判定αc＝|α
1-α2|，如果未达到步骤s1设定值，则调整m值，循环步骤s2～s3，直至达到；s5、根据公式da＝k1(d-d)、l1＝k2b1、l2＝k2b2以及r＝0.5d-k3(d-d)计算球面滚子的最大直径da、滚子长度l1和l2以及外圈滚道球径r，其中系数k1＝0.24～0.27，k2＝0.74～0.78，k3＝0.09～0.11；s6、根据滚子的尺寸，确定内圈和保持器尺寸。作为优选方案，在步骤s3中：其中a列球面滚子的接触角b列球面滚子的接触角本发明的有益效果是：
10.本方案通过创新的结构设计，提供一种风机用滚子等径不等长的非对称调心滚子轴承，使用两列尺寸不同、接触角不同的滚动体，满足风机主轴轴向力过大的使用要求；同时双列滚子采用相同直径、相同的球面半径值使得制造上更简单，降低了制造成本。同时首次公开了轴承内部参数的设计方法。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
12.图1为本发明中非对称调心滚子轴承的结构示意图；图2是本发明的轴承的滚子尺寸图；图3是本发明的设计方法流程图；图4是本发明实施例的接触角曲线图；图5是本发明实施例的工程图。图中标记：1、外圈，2、内圈，3、a列球面滚子，4、b列球面滚子，5、保持器；d
–
轴承内径，单位为mm；d
–
轴承外径，单位为mm；b-轴承宽度，单位为mm；α1–
a列滚子接触角，α2–
b列滚子接触角，b1–
a列接触角宽度，单位为mm；b2–
b列接触角宽度，单位为mm；r
–
外圈滚道直径，单
位为mm；da–
球面滚子的最大直径，单位为mm；l
1-a列滚子长度，单位为mm；l
2-b列滚子长度，单位为mm；r
a-球面滚子的球面半径，单位为mm；o-外圈滚道球心。
具体实施方式
13.下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其他实施方式中。
14.需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他具有相同功能的元件或者物件。实施例1、
15.下面结合附图1-5对本实施例的整体结构以及整个设计过程进行详细描述：如图1所示，所述的风机用滚子等径不等长的非对称调心滚子轴承由外圈1、内圈2、a列球面滚子3、b列球面滚子4和保持器5组成。其中a列球面滚子为短球面滚子，b列球面滚子为长球面滚子，所述的非对称调心滚子轴承具有不同的接触角α1和α2，以适应风机主轴轴向力大的工况。由于轴承是内圈2和风机主轴紧配合，内圈2、a列球面滚子3、b列球面滚子4和保持器5组成的内组件会随着主轴旋转，并在主轴不对中情况下，a列球面滚子3和b列球面滚子4沿着外圈1的滚道调整，使主轴实现对中。设定a列球面滚子的接触角宽度为b1，b列球面滚子的接触角宽度为b2，所述的非对称调心滚子轴承外圈1滚道是连续的球面圆弧，半径值为图1中r，其球心o在轴承中心线上宽度b1和b2的分界点处。
16.如图2所示，区别于现有非对称调心滚子轴承技术，本发明所述的长球面滚子和短球面滚子具有相同的最大直径da，具有相同的球面半径ra，但具有不同的长度l1和l2。这保证两种滚子除长度尺寸不同外，其他尺寸均相同。制造上可使用相同的初始尺寸材料进行加工，切割成不同的长度。降低成本。
17.本发明旨在公开所述轴承的接触角、滚子特征及其参数算法，因此本发明不限定保持器5的结构和尺寸，其不限于现有技术下适应本发明特征的任何材料制成的任何结构。
18.所述滚子等径不等长的非对称调心滚子轴承设计方法如下：一般在风机设计时，会预留出轴承安装空间，即已知轴承外形尺寸：内径d，外径d和总宽度b。步骤1：设定接触角差值αc；步骤2：初定双列宽度比例mm＝b1:b2因此：
步骤3：计算接触角步骤3：计算接触角步骤4：计算接触角差值αc并判定αc＝|α
1-α2|如果未达到步骤1设定值，调整m值，循环步骤2～4，直至达到；步骤5：计算滚子最大直径dada＝k1(d-d)系数k1＝0.24～0.27，优选0.25；步骤6：计算滚子长度l1和l2l1＝k2b1l2＝k2b2系数k2＝0.74～0.78，优选0.76；步骤7：计算外圈滚道球径rr＝0.5d-k3(d-d)系数k3＝0.09～0.11，优选0.1；步骤8：根据滚子尺寸，确定内圈和保持器尺寸。以上步骤可绘制流程图图3所示，借助编程工具实现计算。
19.对于前述算法的实施例：已知某风机主轴轴承内径d＝600mm，外径d＝870mm，总宽度300mm。依据计算程序计算比例m和接触角的曲线如图4所示。m值越接近于1，两列接触角的差值越小；等于1时接触角相等，差值为0即为对称型轴承。方案1：假设根据风机主轴受力工况，确定接触角差值应为2
°
。依据本发明计算方法得到结果如下表比例m＝0.838
以上方案绘制工程图如图5所示。
20.可以看到通过上述设计方法，可以确定接触角大小、滚子尺寸参数，已基本确定了轴承内部各零件的尺寸，其他设计参数均可通过本发明已计算出的参数进行进一步设计。
21.同时，双列滚子同直径、同球面半径值使制造上更简单，可以选用相同规格的初始材料，基于相同的工艺过程，降低了制造成本。
22.本发明在非对称调心滚子轴承领域公开的技术具有明显的先进性和可操作性。
23.本实施例未详述部分为现有技术。
24.应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。