风电轴承大尺寸钢球光球加工技术

文摘 2024-09-23 16:14 河南

《轴承》2024年第9期

引文格式：

袁浩，刘疆，胡伟平，等.风电轴承大尺寸钢球光球加工技术[J].轴承，2024（9）：63-67.

YUAN Hao，LIU Jiang，HU Weiping，et al.Ball Flashing Technology for Large Size Steel Balls of Wind Turbine Bearings[J].Beairng,2024（9）：63-67.

点击文后“阅读原文”下载全文

风电轴承大尺寸钢球光球加工技术

袁浩 ¹刘疆 ¹胡伟平 ²孙永杰 ¹胡瑾 ²

（1. 江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013；2. 常州亿精珠钢球有限公司，江苏常州 213023 ）

DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2024.09.009

摘要针对国内现有风电轴承大尺寸钢球光球机加工精度低，加工效率低的问题，对钢球在光球机动、静磨盘沟道内的运动规律、受力特点和磨削机理进行分析，光球时钢球受到的磨削力与动、静磨盘沟道深度比有关，并基于ADAMS仿真得到最佳动、静磨盘沟道深度比为7∶3，去两极和环带、成形、走圆工序最佳动磨盘转速分别为90，120，90 r/min。样机试验结果表明，改进后光球机的光球效率提高了30%，球形误差至少提高了0.2 mm，表面粗糙度Ra值至少减小了0.03 mm。

关键词滚动轴承；风电轴承；钢球；仿真；磨削；转速；加工精度

近年来，随着我国风力发电量的持续增长，对风电轴承的要求也越来越高。据统计，轴承造成的风力发电机齿轮箱故障占70％^［1］，为降低风电轴承故障率，对钢球加工质量提出了一系列要求，钢球寿命要求由原来的10 a提高至20 a^［2］。

国外通过研究钢球磨削加工技术探索出提升钢球精度和寿命的加工工艺，普遍采用光磨工艺进行钢球研磨加工，相比锉削和软磨的工艺组合，光磨工艺可提高成品球的精度^［3］，如日本AKS公司研发的光球机可对直径0.5 ~ 114.3 mm的钢球进行多次精磨+研磨，成品钢球精度达到G3^［4］；德国SMS公司研发的高效率光球机每年磨削近4亿粒钢球，成品钢球精度达到G5^［5］。

通过引进国外钢球加工技术，国内企业研发了高精度光球机并不断改进以提高效率和精度，如文献［6］改进小直径钢球上料盘，仅保留了原料盘的旋转功能，提高了料盘使用寿命；文献［7］研发了新型光球机，通过筛检板对已打磨的小直径钢球进行筛检，以便对不合格钢球进行返工。

国外光球设备的效率、智能化、精度等均高于国内，而且国内对大直径钢球光球设备的研究较少，现有光球机在磨削过程中常出现钢球自转效果差，易卡盘，光球不均匀，成形困难，球形误差大，效率低等问题，不仅增加了后续加工难度，而且对钢球寿命也有极大影响^［8］。因此，本文以30 ~ 65 mm的风电轴承大尺寸钢球为研究对象，对钢球在光球过程中的运动状态进行分析，基于ADAMS建立有限元模型，仿真得到光球机最佳动、静磨盘沟道深度比和动磨盘转速并通过试验进行验证。

1 钢球运动状态分析

1.1 光球机结构

钢球加工流程如图1所示：下料→冷镦→光球→热处理→硬磨→初研→成品^［9］。球坯在光球时主要经历去两极和环带、成形、走圆3个阶段^［10］，如图2所示，钢球在去两极和环带后为椭圆形，成形后变为球形，最后经走圆工序提高钢球表面精度。

图1 钢球加工流程图Fig.1 Processing flow chart of steel balls

图 2 光球过程Fig.2 Ball flashing process

国内常用的卧式光球机结构如图3所示，主要包括磨盘机构（图4）和料盘机构，料盘机构将待磨钢球运送到磨盘机构，通过动磨盘的旋转运动和静磨盘的进给运动进行钢球磨削加工，磨削后从磨盘机构重新回到料盘机构，循环磨削，每粒钢球进入磨盘沟道的次数和时间近似相同。

图3 卧式光球机结构示意图Fig.3 Structure diagram of horizontal ball flashing machine

图4 磨盘结构示意图Fig.4 Structure diagram of grinding discs

1.2 钢球在磨盘内的运动状态

钢球加工质量与其自身运动状态密切相关，为使球坯更加圆整光滑，需要使其具有良好的自转能力^［11］。以钢球中心为原点建立坐标系Oxyz对其在磨盘沟道内的运动状态（图5）进行分析。光球过程中，动磨盘以角速度ω₀绕主轴轴线z_r旋转，静磨盘在z轴方向做进给运动，钢球在动磨盘带动下以角速度ω₁绕主轴轴线z_r公转。钢球表面各点线速度不同，会以角速度ω₃绕自身某轴自转^［12］，ω₃在y，z轴方向的分量为ω₁和ω₂。

图5 钢球在磨盘沟道内的运动示意图Fig.5 Diagram of movement of steel ball in groove of grinding disc

钢球在磨盘内受滑动摩擦的影响，磨损量与滑动速度和法向压力的乘积成正比^［13］。钢球与动、静磨盘沟道边缘接触位置的相对滑动速度最大，法向压力小；与磨盘沟底接触位置的相对滑动速度近似为0，法向压力大。

光球初期，钢球与磨盘沟道直径相差小，两者接触弧度长，钢球表面线速度差大，钢球自转效果好，磨削效率高；光球后期，钢球直径与磨盘沟道直径差逐渐增大，两者接触弧长小，钢球表面线速度差逐渐减小，压力集中在沟底，磨削效率低^［11］。

1.3 钢球在磨盘内的受力

以磨盘中心为原点建立坐标系O₁x₁y₁z₁，如图6所示，G为钢球重力，P₁，F₁分别为动磨盘对钢球的法向压力和切向磨削力，P₂，F₂分别为静磨盘对钢球的法向压力和切向磨削力。钢球在磨盘内的自转和公转与磨盘磨削力以及磨盘对钢球的压力有关，当所受合力与动磨盘转动方向一致时，钢球自转效果最佳。

图6 钢球在沟道内的受力示意图Fig.6 Diagram of forces on steel ball in raceway

光球时，磨削力主要来自钢球表面因弹塑性变形产生的抗力和切屑对动、静磨盘的摩擦力^［14-15］。磨盘锋刃的磨削模型如图7所示，钢球所受磨削力可分解为切向磨削力F_t和法向磨削力F_n^［16］，计算公式为

（1）

（2）

式中：p为接触应力；a为锋刃间的平均距离；L为钢球质心与磨盘旋转中心的距离；R为钢球理论半径；θ为磨削角；2φ为磨盘锋刃的前端角；τ为切深系数；μ为摩擦系数；Δ为锋刃切入深度；为磨盘单位面积内的有效切削刃数。钢球所受磨削力与磨削角、锋刃间的平均距离和锋刃切入深度等有关，锋刃切入深度越大，磨削效果越好。

图7 磨盘锋刃的磨削模型Fig.7 Grinding model of grinding disc blade

锋刃切入深度与动、静磨盘沟道深度有关，钢球与动、静磨盘沟道的接触示意图如图8所示：当动磨盘沟道深度h₁小于静磨盘沟道深度h₂时，钢球与动磨盘沟道的接触面小于与静磨盘沟道的接触面，光球时钢球与动磨盘接触面处的压强较大，动磨盘锋刃切入深度越深；反之，静磨盘锋刃切入深度越深。随着磨盘沟道深度比的变化，钢球表面线速度差及磨削效果会随之变化，为确定最佳磨盘沟道深度比h₁/h₂，基于ADAMS进行仿真分析。

图8 钢球与动、静磨盘沟道的接触示意图Fig.8 Diagram of contact between steel ball and movable/ stationary grinding disc grooves

2 基于ADAMS的动力学仿真

2.1 磨削装置参数设置

钢球直径为60 mm，动、静磨盘直径为900 mm，动、静磨盘厚度为100 mm，动、静磨盘沟道总深度为50 mm。动、静磨盘材料为专用合金铸铁板，密度为7.35 g/cm³；钢球材料为GCr15，密度为7.83 g/cm³。基于SolidWorks建立光球的简化模型（图9），并转化为STP格式导入ADAMS进行仿真^［17］。

图9 光球的简化模型Fig.9 Simplified model of ball flashing

对静磨盘添加固定副，动磨盘添加圆柱副，钢球添加球副^［17］。动磨盘施加旋转驱动，钢球与磨盘之间为连续接触，采用库仑法确定钢球在磨盘沟道内的动、静摩擦系数分别为0.3，0.5^［18］。

2.2 磨盘沟道深度比对钢球磨削的影响

仿真步数为6 400，仿真时间为8 s。动磨盘转速为90 r/min时不同磨盘沟道深度比下钢球自转速度在坐标系Oxyz中3个方向的分量如图10所示：第1组钢球n_x，n_y最大，n_z较小，说明钢球接近纯滚动，自转效果好；第2组钢球n_z较大，说明钢球在磨盘内存在窜动；第3组钢球的速度变化曲线相比前2组波动较大，说明钢球在磨盘内窜动大，自转效果差，极易出现卡盘打滑现象。

图10 不同磨盘沟道深度比下的钢球自转速度变化曲线Fig.10 Variation curve of rotational speed of steel balls under different depth ratios of grinding disc groove

不同磨盘沟道深度比下，0 ~ 0.6 s内的钢球自转速度变化曲线如图11所示：第3组钢球自转速度波动较大，自转效果差，第1，2组钢球自转速度稳定，其中第1组稳定在1 380 r/min，钢球自转效果最好，磨盘沟道深度比最佳。

图11 不同磨盘沟道深度比下钢球在0 ~ 0.6 s内的自转速度变化曲线Fig.11 Variation curve of rotational speed of steel balls within 0 ~ 0.6 s under different depth ratios of grinding disc groove

2.3 动磨盘转速对钢球磨削的影响

仿真步数为100，仿真时间为5 s。磨盘沟道深度比为7∶3时不同动磨盘转速下的钢球自转速度变化曲线如图12所示，钢球自转速度随动磨盘转速增大而增大。

图12 不同动磨盘转速下的钢球自转速度变化曲线Fig.12 Variation curve of rotational speed of steel balls under different rotational speeds of movable grinding disc

在去两极和环带工序，阻力较大，动磨盘转速较大会使钢球窜动增大，动磨盘转速较小则磨削效率较低，因此动磨盘转速取中间值90 r/min；在成形工序，阻力较小，钢球窜动小，动磨盘转速取120 r/min；在走圆工序，需要提高钢球表面加工精度，钢球自转速度不宜过大也不宜过小，动磨盘转速取中间值90 r/min。

3 试验验证

由上述结果确定动、静磨盘沟道深度比为7∶3，即动、静磨盘沟道深度分别为35，15 mm；在钢球去两极和环带、成形、走圆时的动磨盘转速分别为90，120，90 r/min；光球时工作压力为100 kN。

钢球去两极和环带工序中，磨盘抖动在0.15 mm左右，无卡盘现象，光球效率提高了30%，钢球表面平整光滑，说明钢球在光球过程中自转良好。通过该光球机加工的钢球成品精度见表1，改进后光球机加工的钢球球形误差至少提高了0.2 mm，表面粗糙度Ra值至少减小了0.03 mm，公差等级最高达到G28^［19］。

表1 改进后光球机加工的钢球成品精度Tab.1 Precision of finished steel ball products processed by improved ball flashing machine

4 结论

针对国内现有风电轴承大尺寸钢球光球机加工精度低，加工效率低的问题，对钢球在光球机动、静磨盘沟道的运动规律、受力特点和磨削机理进行分析，基于ADAMS仿真得到最佳的动、静磨盘沟道深度比和动磨盘转速，并进行了样机试验，得到以下结论：

1）风电轴承大尺寸钢球光球过程中，磨削效率与磨削角、锋刃间的平均距离和锋刃切入深度等有关，锋刃切入深度越深，磨削效果越好。

2）动、静磨盘沟道深度比会影响磨盘的锋刃切削深度和钢球表面线速度，最佳动、静磨盘沟道深度比为7：3。

3）钢球自转速度与动磨盘转速成正比，考虑动磨盘转速对钢球窜动和表面加工精度的影响，钢球去两极和环带、成形、走圆工序时的动磨盘转速分别取90，120，90 r/min为宜。

1. 韩朋.基于深度学习的风力发电关键技术研究［D］.包头：内蒙古科技大学，2021.

3. 王保振.国外钢球制造技术简介（二）［J］.轴承，1999（2）：39-40，35.

4. 薛喆.光球生产工艺与设备的优化研究［D］.无锡：江南大学，2009.

5. 肖峰.国外钢球加工设备的发展趋势［J］.轴承，1993（10）：20-22，42-46.

6. 刘建华.一种风电轴承钢球光球机上的料盘装置：CN210388641U［P］.2020-04-24.

7. 袁勤，袁世泉．一种钢球光球机：CN217394561U［P］.2022-09-09.

8. 那卓.轴承钢球工艺质量关键技术分析与实践［J］.轴承，2014（10）：59-63.

9. 夏新涛，马伟，颉谭成，等.滚动轴承制造工艺学［M］.北京：机械工业出版社，2007.

10. 徐秀丽，杨忠文.浅析光球压力曲线的确定［J］.哈尔滨轴承，2004，25（2）：13，36.

11. 李国广，高瑞贞，张京军，等.轴承钢球研磨力学建模及分析［J］.机械设计与制造，2014（2）：236-238.

12. 傅蔡安，张韬，薛喆.钢球磨削机理研究［J］.机械设计与制造，2010（6）：163-165.

13. 颜世一，谭达洲.光球运动和机理的研究（下）［J］.轴承，1981（3）：51-58.

14. 李国广.钢球精密研磨机理及研球工艺研究［D］.邯郸：河北工程大学，2014.

15. 薛喆，傅蔡安，张韬.钢球磨削的微观机理［J］.江南大学学报（自然科学版），2009，8（4）：439-444.

16. 庄司克雄.磨削加工技术［M］.郭隐彪，王振忠，译.北京：机械工业出版社，2007.

17. 于殿勇，钱玉进.基于ADAMS动力学仿真参数设置的研究［J］.计算机仿真，2006（9）：103-107，183.

18. 苏冰，张硕，杨伯原.GCr15轴承钢球滑动摩擦性能实验［J］.轴承，2015（2）：39-42，52.

19. 滚动轴承　球　第1部分：钢球：GB/T 308.1—2013［S］.

Ball Flashing Technology for Large Size Steel Balls of Wind Turbine Bearings

YUAN Hao ¹LIU Jiang ¹HU Weiping ²SUN Yongjie ¹HU Jin ²

（1. School of Mechanical Engineering， Jiangsu University，Zhenjiang 212013， China；2. Changzhou Yijingzhu Steel Ball Co.， Ltd.， Changzhou 213023， China ）

Abstract: In response to the problems of low machining precision and efficiency of existing ball flashing machine for large size steel balls of wind turbine bearings in China， the motion law， force characteristics and grinding mechanism of steel balls in grooves of movable and stationary grinding discs of the machine are analyzed. The grinding force on steel balls during ball flashing process is related to depth ratio of grooves of movable and stationary grinding discs. Based on ADAMS simulation， the optimal depth ratio of grooves of movable and stationary grinding discs is 7∶3， and the optimal rotational speeds of movable grinding discs for removing bipolar and circumferential belt， forming and rounding processes are 90，120 and 90 r/min respectively. The prototype test results show that the ball flashing efficiency of improved machine is increased by 30%， the spherical error is increased by at least 0.2 mm， and the surface roughness Ra value is reduced by at least 0.03 mm.

Keywords: rolling bearing；wind turbine bearing；steel ball；simulation；grinding；rotational speed；machining precision

中图分类号： TH133.33⁺1；TM315

文章编号：1000-3762（2024）09-0063-05

文献标识码： B

收稿日期：2023-05-04

修回日期：2024-03-27

出版日期：2024-09-05

网刊发布日期：2024-09-02

本文编辑：钞仲凯

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5OTM4MjI5NQ==&mid=2247525235&idx=1&sn=d2263f3e4fedc832fe500f821fcfc4bd

轴承杂志社

《轴承》创刊于1958年，由洛阳轴承研究所主管、主办，国内外公开发行，中文核心期刊、中国科技核心期刊。

最新文章

【2024年11期】“轴承材料与先进成形制造技术”专题目次及摘要分享-开放获取

洛阳轴承研究所有限公司试验检测中心荣获“国防工业认可委员会（DIAC）实验室”认可

第十二届中国轴承论坛暨智能装备传动与支承-国际产学研用合作会议在洛阳成功举办

《轴承》首届青年编委会成立大会在洛阳召开

国家标准委下达2024年第八批推荐性国家标准及相关标准外文版计划

通过提高非金属夹杂物与基体的结合力以延长滚动轴承寿命第2部分: 夹杂物的组成及形态对延寿的影响

《机械工程领域高质量科技期刊分级目录（第二版）》发布

七项滚动轴承国家标准外文版发布

轴承滚动循环疲劳建模的多尺度概述

第十二届中国轴承论坛——报告及通知（更新）

新书推荐 |《滚动轴承制造技术》

角接触球轴承内圈淬回火过程残余应力的演化与分布规律

第十二届中国轴承论坛暨智能装备传动与支承-国际产学研用合作会议——报告预报

不同载荷下轴承波纹状损伤的形成规律和材料损伤机制

机械设计轴承选择指南（2）：轴承排列配置

工况参数对高速角接触球轴承温升特性的影响

极端制造 | 高性能制造：由“精度”到“性能”的跃升

洛阳轴研科技主轴轴承及齿轮箱轴承助力全球最大26兆瓦级海上风电机组下线

2024北京国际风能大会暨展览会（CWP 2024）开幕

圆锥滚子球基面的立式无磁磨削

基于动态权重优化的风电机组齿轮箱轴承温度预测模型

第十二届中国轴承论坛暨智能装备传动与支承-国际产学研用合作会议（第2轮通知）

【招聘编辑】轴承杂志社招聘期刊编辑

基于智能滚子的轴承接触载荷测量方法

机械设计轴承选择指南（1）：轴承种类选择

圆柱滚子轴承打滑蹭伤仿真计算

ISO 7544《滚动轴承清洁度测量及评定方法》正式发布

风电机组主轴轴承在机清洗工艺

国外轴承文摘17

【2024年10期】“轴承专业50周年”专栏-目次及摘要分享-开放获取

新国家标准发布

4.5MW风电机组主轴轴承试验平台

学术探讨｜深沟球轴承白蚀裂纹形成的多参数研究

20种材料彩色金相！

风电齿轮箱滑动轴承脱黏缺陷超声检测

产学合作 | 研究应用于轴承的纳米晶钢材

双馈风力发电机转轴微动磨损原因分析及预防措施

振动频谱分析技术应用于轴承故障

孔隙率对风电滑动轴承激光熔覆涂层摩擦磨损性能的影响

喜报！《轴承》连续入选中国科技核心期刊

风电轴承大尺寸钢球光球加工技术

NTN运动轮椅用轴承，助力每一个运动梦想

考虑风载特征的风电机组主轴承载荷谱编制方法

基于变载工况的海上风电机组主轴轴承刚柔耦合动态响应分析

故障与诊断：齿轮箱故障简易诊断方法详解

风电机组齿轮箱用润滑油的流变特性

油质对汽轮机轴承的影响

考虑轴向卸载的风电机组固定端轴承承载特性

全国钢标准化技术委员会轴承钢分技术委员会2024年年会隆重召开

风电齿轮箱行星齿轮滑动轴承的润滑性能

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉

风电轴承大尺寸钢球光球加工技术

《轴承》2024年 第9期

袁浩，刘疆，胡伟平，等.风电轴承大尺寸钢球光球加工技术[J].轴承，2024（9）：63-67.

风电轴承大尺寸钢球光球加工技术

1 钢球运动状态分析

1.1 光球机结构

1.2 钢球在磨盘内的运动状态

1.3 钢球在磨盘内的受力

2 基于ADAMS的动力学仿真

2.1 磨削装置参数设置

2.2 磨盘沟道深度比对钢球磨削的影响

2.3 动磨盘转速对钢球磨削的影响

3 试验验证

4 结论

Ball Flashing Technology for Large Size Steel Balls of Wind Turbine Bearings

《轴承》2024年第9期