1、基于风电轴承加工几何误差分析的双柱立车精度设计方法 姜佳利 林福严 胡翰篇 中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院 摘 要： 本文首先对典型工件偏航轴承、变桨轴承的关键部位桃形滚道部分的外形特点及其加工精度保证的要点、难点进行了分析。综合分析了引起加工精度难以保证的多种因素, 初步设定了机床的各项精度指标。进而, 分析了影响机床加工精度误差源。再根据机床拓扑结构预测了工件加工的综合精度指标实现的可能性。本文研究内容为机床精度设计提供了一种理论方法, 对相关机床的研发设计工作具有一定的理论指导意义。关键词： 偏航轴承; 变桨轴承; 双柱立车; 误差分析; 设计方法; Abstract： In t
2、his paper, firstly, the characteristics of the key parts of the yaw bearing and the variable pitch bearing-the peach shaped raceway, and the key points and difficulties of the machining precision are analyzed. The various factors which cause the machining precision are difficult to be guaranteed are
3、 analyzed synthetically, and the precision parameter of the machine tool is established. Secondly, the error source of machining precision is analyzed. At last, according to topological relation graph of the machine tool, the possibility of the realization of the comprehensive precision index is pre
4、dicted. The research of this paper provides a theoretical method for the precision design of the machine tool, which has some theoretical significance for the research and design of the relevant machine tools.Keyword： Yaw bearing; Variable pitch bearing; Double column vertical lathe; Error analysis;
5、 Design method; 开发可再生清洁能源是解决能源危机和环境问题的关键, 风能资源在地球表面储量丰富, 是目前发展最快和应用最广泛的清洁可再生能源之一。根据相关部门的统计资料预测, 全球风电累计装机容量在 2020 年将达到 792GW, 有可能超过核电和水电成为第二大主力电源。偏航轴承和变桨轴承是风力发电机组核心部件, 由于承受不定风力所产生的冲击载荷, 具有间歇工作, 启停较为频繁, 传递扭矩较大, 传动比高的特点, 轴承的各项加工精度指标的实现, 对金属加工机床提出了特殊的要求。本文针对风电设备中偏航轴承、变桨轴承加工用双柱立式车床设计过程进行研究, 将双柱立车精度指标的设定与
6、偏航轴承、变桨轴承的加工精度要求有机地整合在一起, 为同类机床设计提供了一种可借鉴的设计方法。图 1 风电轴承桃形沟部位示意图 下载原图1. 风电轴承零件精度分析某型号风力发电机组, 变桨轴承直径 3050mm, 采用双桃形沟滚道, 主要精度指标:曲率半径 R=34.130.08mm, 接触角 451, 沟心距 950.02mm。曲形双四点接触角接触轴承的桃形沟接触几何关系如图 1 所示。符号名称:接触角 451。D钢球直径 65mm;R桃形沟圆弧曲径半径 (R=34.130.08mm) ;x桃形沟圆弧中心偏移量 (x=1.153mm) ;L沟心距 L=950.02mm;通过数学关系可推导如下
7、:按照上述数据对公式进行校核:接触角相等, 说明公式正确。根据接触角误差 =4446范围内合格设定 R 不变, 则误差大小推导如下:图 2 双柱立式车床结构图 下载原图图 3 机床拓扑结构图 下载原图求得 x=1.132mm即 Z 轴方向偏心量误差为-0.021mm 时, 接触角变化 1。当 , 求得:2. 双柱立车精度指标设定桃形沟曲率半径误差+0.03 时, 接触角减小 1在实际加工过程中, 桃形沟圆弧中心偏心位移量和桃形沟圆弧曲率半径都是变化量。将这两个变化量分解到机床 Z 轴和 X 轴上。通过几何关系换算及软件分析换算:Z 轴精度影响因素为 1) 桃形沟圆弧中心偏移量 x, 沟心距 L
8、 及桃形沟圆弧曲率半径 R。工作台端径跳0.01mm 时影响接触角 1。通过以上零件精度分析, 初步认定 Z 轴位置精度及工作台端径跳是影响零件精度主要因素, X 轴位置精度因受圆弧滚道加工精度影响及 R=0.03mm 影响。初步设定:工作台端径跳精度 0.005;X 轴定位精度 0.010mm;Z 轴定位精度0.005mm;X 轴、Z 轴单脉冲微进给量 0.001mm。3. 工艺切削参数设计及误差源分析该变桨轴承外形轮廓尺寸为直径 3050mm, 材质为合金结构钢 42Cr Mo4, 硬度为 HB60。采用硬车技术进行轴承的精加工, 通过切削力设算, 取最大切削力F=6k N。切削刀具选用山
9、特维克 C5 刀具 (切削力可达 30k N) 。切削参数分别为:进给量 0.015mm/r, 切深 0.2mm, 切削线速度 150m/min。通过水冷方式进行加工中刀具的冷却。根据上述零件精度误差分析及切削参数设定, 综合考虑影响工艺系统的机床夹具, 刀具等因素可以分析得出, 机床加工精度引起桃形滚道精度误差主要包括:(a) 静态、动态几何误差;(b) 数控伺服控制误差;(c) 刀具刚度误差;(d) 主机热平衡带来的误差;(e) 环境温度变化引起主机几何精度变化;(f) 工装夹具的因素。这些因素作用在主机各部位, 通过运动链传递并最终体现在刀尖和工件加工点之间的相对偏差, 从而对工件的加工
10、精度产生影响。通过对机床拓扑结构和误差源进行协同分析, 推导出误差综合运动学模型量化得出最终加工误差与各项误差元素之间的关系, 即可得出各误差对机床加工精度的影响。4. 基于多体系统理论的机床拓扑结构多体系统理论能系统、完整地描述复杂的机械结构。数控机床作为典型的多体系统, 各部件通过运动副 (如移动副、转动副等) 相互连接。多体系统理论关键是其对运动的描述, 利用综合单元与整体的基本思想, 通过分析典型体间的运动位姿关系, 对复杂系统进行研究。本文的研究对象为双柱立式车床, 其结构如图 2 所示, 图中标注了该机床的运动轴及主要部件。机床共有 4 个运动轴, 分别为:C 轴回转工作台的旋转运
11、动;W 轴横梁沿立柱升降的运动;X 轴横梁滑座在横梁导轨上的水平进给运动;Z 轴滑枕在横梁滑座上的竖直进给运动。根据机床的结构将其抽象成对应的多体系统拓扑结构, 按自然数增长序列沿远离机床固定部件的方向对各部件进行编号, 如遇到一个部件上出现多条支链, 则依次对每条支链进行编号。此处的固定部件为机床的床身 (立柱) 。床身 (立柱) 存在两条支链, 按照上述编号规则, 结合各运动链中运动部件之间的关系, 可得到图 3 的拓扑模型。描述拓扑结构的低序体阵列, 通过式 1 计算得到:式中 L 为低序体算子, 用来表征多体系统中各典型体的关系。典型体 J 称为典型体 K 的 n 阶低序体。低序体计算满足如下关系:
