风能是一种清洁、安全、可再生的绿色能源,利用风能对于人类社会可持续发展具有重要意义,风力发电目前已在全球范围内迅速发展。变桨轴承是风力发电机组的关键零部件,变桨轴承通过螺栓与轮毂及叶片根部相连接,经变桨控制系统驱动而调整叶片的角度来控制风轮的转速,进而控制风机的输出功率。变桨轴承在工作中受轴向载荷、径向载荷及倾覆力矩作用,工况载荷复杂、运行环境差。变桨轴承的安全性及可靠性关系着风力发电机组的整体稳定性及安全性。随着风电产业的发展,大功率风电机组开发成为发展趋势,并随着市场竞争加剧以及风资源的影响,低风速区成为当前主要风资源区域,由此带来了大功率风电机组的叶片直径不断增大,并对变桨轴承的可靠性带来了更大的考验。因此,对大功率风力发电机组变桨轴承的设计可靠性的深入研究具有十分重要意义。本文以某5MW机组(叶轮直径为171米)变桨轴承为研究对象,对变桨轴承内部结构及关键参数进行优化,并对轴承、叶片及轮毂整体建模进行有限元分析,确定优化方案,以提高轴承的承载能力;通过对轴承进行热处理工艺验证及对轴承进行极限载荷、疲劳载荷下的台架试验来验证设计与制造的可靠性。本文的主要内容包括:1)设计优化根据风力发电机组变桨轴承的工况特点,对轴承关键参数接触角、沟曲率系数、滚动体尺寸、套圈热处理性能参数等进行设计优化,提高轴承的承载能力;轴承上下端面应用多唇密封圈,提高轴承抵御外界环境侵蚀能力;对保持架表面进行塑化处理,提高保持架耐磨性。2)计算分析应用ANSYS软件对变桨轴承、轮毂及叶片进行整体有限元分析,计算极限载荷下的钢球与滚道的接触载荷及接触应力、轴承套圈变形及套圈环向应力;计算疲劳载荷下的套圈环向应力及套圈疲劳损伤。3)热处理工艺验证调整热处理工艺参数,对套圈多部位取样,检测屈服强度、拉伸强度、冲击性能实际值;通过多次工艺验证确定最佳工艺路线,实现套圈最佳硬度梯度、高屈服强度、高拉伸强度,提高轴承可靠性。4)台架测试验证设计和制造的可靠性试验前对轴承进行全尺寸检测,保证产品实物满足设计要求;对轴承进行疲劳载荷及极限载荷加载试验,试验过程中监测轴承温升及振动情况;试验后先对成品再进行拆套检测,检测内圈滚道、外圈滚道、钢球、保持架的接触及磨损情况,检测轴承漏脂情况,检测分析油脂性能及含杂质情况。试验结果证明了本文所研究的变桨轴承优化设计方法及制造工艺合理,该研究工作为提高变桨轴承的疲劳寿命及可靠性提供了有效依据。