螺栓预紧力对四点角接触球轴承载荷分布的影响

如图1位变桨轴承（四点角接触球轴承），四点角接触球轴承常见于变桨风力发电机上，变桨轴承安装一般采用螺栓紧固于安装基础上的方式，其受力和变形情况受螺栓预紧力影响，换句话说，螺栓预紧力影响四点角接触球轴承的可靠运行。因此分析螺栓预紧力对载荷分布的影响，根据应用场合选择合适的预紧力和实现方式具有很重要的意义。

图1

螺栓预紧力对四点角接触球轴承载荷分布的影响

1、均布预紧力大小的影响

为了研究均布预紧力大小对轴承载荷分布的影响，在ANSYS中用命令流方式分别添加不同螺栓预紧力108、270、449、542、630kN，得到如图2所示的载荷分布曲线。

图2不同螺栓预紧力时接触载荷分布

由图8可知，在螺栓预紧力分布均匀的情况下，当预紧力为500kN时，轴承最大接触载荷最小。当预紧力低于500kN时，轴承最大接触载荷与预紧力成反比，且当预紧力低于270kN时，随着预紧力减小，最大接触载荷增幅明显增大，从87439．31N增大到90469．39N，增幅为3．5％；当预紧力大于500kN时，轴承最大接触载荷呈小幅增长，从86573．57N增大到86660．15N，增幅为0．1％。由于预紧力过小时，在弯矩M作用下，轴承易发生偏斜，变形加大;在预紧力过大时，初始变形增大，从而影响轴承疲劳寿命(见表5)。

图3不同预紧力下轴承最大接触载荷

样本采用M32的10.9级螺栓，屈服极限为900MPa，许用载荷为715kN，因此建议螺栓预紧力为许用载荷的70%。

2、非均布预紧力的影响

在实际中，常用控制螺栓预紧力的方法均会产生预紧力误差，例如感觉法最大误差可达40%。预紧力误差将导致整个轴承上螺栓预紧力分布不均。为了研究螺栓预紧力分布不均对轴承工作状态下载荷分布的影响，选择如图4所示螺栓预紧力分布(“●”处螺栓预紧力为700kN，“O”处螺栓预紧力为150kN)。对应滚珠-滚道接触载荷分布如图5所示。

图4螺栓预紧力分布

图5非均布预紧力时接触载荷分布

由图4可知，螺栓预紧力分布不均对滚珠-滚道最大接触载荷及其出现位置产生了影响。在螺栓预紧力变化的位置接触载荷有明显突变(最大突变发生在147.5°处，变化量为9505.1N)，加大了接触载荷分布不均度，从而影响轴承疲劳寿命。因此，在可靠性要求较高的场合，亦采用力矩法等高精度预紧力加载方法。

3、内、外圈预紧力差异的影响

为了分析内、外圈上螺栓预紧力存在差异对滚珠-滚道接触载荷的影响，分别对内、外圈预紧力为150、700kN和内、外圈预紧力为700、150kN这两种情况进行计算，计算结果如图6所示。由图6a可知，内、外圈上螺栓预紧力为150、700kN时，上、下滚道间接触载荷差异相比均布预紧力时增大。在182.15°位置最大，最大接触载荷差值为26694.96N，其最大接触载荷为87039.31N。由图6b可知，内、外圈上螺栓预紧力为700、150kN时，上、下滚道间接触载荷差异进一步增大。在186.49°位置最大，最大接触载荷差值为26991.07N，其最大接触载荷为88612.46N。

图6内、外圈与激励有差异时接触载荷分布

因此，当内、外圈上螺栓预紧力存在差异时，上、下滚道接触载荷分布规律变化不大，但其差异较大，且外圈预紧力小于内圈预紧力时最大。上、下滚道接触载荷差异较大，造成上，下滚道寿命差异较大，从而使轴承整体寿命降低，并尽量减小内、外圈预紧力差异。

4、结论

1）在均布螺栓预紧力下，滚珠-滚道接触载荷随螺栓预紧力的增加，先逐渐减小后小幅增加，建议螺栓预紧力为许用载荷的70%。

2）在非均布螺栓预紧力下，滚珠-滚道接触载荷分布波动增强，预紧力变化的位置接触载荷发生突变。因此，在可靠性要求较高场合，建议采用力矩法等高精度预紧力加载方法。

3）当轴承内、外圈螺栓预紧力存在差异时，上、下滚道的接触载荷差异增大，且外圈预紧力小于内圈预紧力时差异更大，建议外圈螺栓预紧力大于内圈预紧力，且尽量减小差异。

综上，螺栓预紧力对变桨轴承载荷分布影响很大，适当大小且分布均匀的预紧力，及较小内、外圈预紧力差异是轴承可靠工作的重要保证。