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風力發電機主軸結構強度分析

時間:2017-12-16 15:59 所屬行業:能源裝備、發電、強度分析

強度分析
    風力發電機主軸承擔著支承輪毅處傳遞過來的各種負載的作用,並將扭矩傳遞給增速齒輪箱,將軸向推力、氣動彎矩傳遞給機艙、塔架,是風力發電機組中重要的部件,其設計安全性和合理性直接影響整個機組的性能。目前對風力發電機主軸的強度校核,主要采用有限元分析方法,由於主軸受力較複雜且零件尺寸大,僅使用有限元法對主軸進行較真實的分析存在一定的困難,應用工程計算與有限元分析相結合的方法,能夠更加真實的模擬主軸的受力情況,對主軸的分析更為準確。
1、電機主軸零件受力分析
    風力發電機主軸有多種支承方式,分析的主軸為主軸承和齒輪箱兩點支承。其中主軸承為調心滾珠軸承,在主軸受彎矩作用發生撓曲時可以自動調整,改變軸承配合軸段的受力狀態;主軸尾端通過脹緊聯結套與齒輪箱行星架相連。主軸承受的軸向力通過主軸承係統(主軸承及軸套、軸承座)傳遞給機艙,承受正向推力時,通過主軸軸肩—前軸套一軸承一軸承座—機艙的路線傳遞;承受負向拉力時,通過主軸一主軸鎖緊螺母一後軸套—軸承一前軸承蓋—軸承座一機艙傳遞。在這兩條傳力路線中,除主軸與鎖緊螺母之問通過螺紋傳力外,其他零件之間均通過接觸麵傳遞法向壓力。目前對軸承的模擬比較成熟,但對脹緊聯結套部分進行了簡化,由於脹緊聯結套部分在有限元分析中是大變形且受力複雜,考慮脹緊聯結套會使分析十分困難,但主軸與脹緊聯結套結合部位應力最大,基於此原因,脹緊聯結套對主軸的作用力通過工程計算獲得,對主軸進行有限元分析時考慮脹緊聯結套對主軸的作用。
2、風力發電機主軸有限元分析
2.1、主軸有限元分析模型
    在MSC.Mentat2008中建立主軸有限元模型。模型采用8節點六麵體7號單元劃分,單元尺寸為5-30mm,總網格數目為412040。根據實際受力特點,載荷通過輪毅傳遞到主軸上,在主軸承座處受到支承,轉矩從尾端的行星架處傳出。模型將部分輪毅和主軸固定連接,將圓螺母和主軸固定連接,載荷施加在輪毅的中心點上。在行星架與脹緊聯結套接觸部分行星架外表麵上施加法向壓力,模擬脹緊聯結套對主軸的作用力,扭矩經主軸、行星架傳出。
2.2、主軸有限元分析的邊界條件
    依據軸承和兩側軸套的特征尺寸,在主軸承處建立剛性麵,用於模擬主軸承和軸套係統給主軸提供的支承(即設置邊界條件),在主軸承的中心點建立剛性麵的控製節點,用於對剛性麵的自由度進行控製。安裝主軸承處的軸肩、鎖緊螺母和與軸承接觸的軸段部分以及主軸尾端與行星架接觸部分的單元設置為變形體。根據主軸尾端的實際裝配關係,行星架內表麵分成兩部分,前半部分與主軸通過脹緊聯接套抱緊,後半部分與主軸為間歇配合。
    邊界條件和載荷施加說明如下:
    Fix-bearing:約束剛性麵X,Y,Z三個方向的平動自由度及繞X軸向的轉動自由度,以表達主軸承的調心性能。
    Fix-carrier:通過創建RBE2單元,將行星架尾端麵的節點連接至行星架中心點,約束行星架中心點(即RBE2的控製節點)在X,Y,Z軸三個方向上的的平動自由度和繞X軸向轉動自由度。
    Mx Max:通過創建RBE3單元,將輪毅法蘭邊界上的節點連接至輪毅中心點,在輪毅中心點(即RBE3的控製節點)施加極限載荷。
    Face load:模擬脹套內環與行星架間的作用力,在行星架外表麵加載正壓力,正壓力由理論計算得到。
3、計算結果較分析   
    截麵VII處結果有兩個應力值(434.4/252.0),分別為主軸與行星架接觸部分主軸內孔壁的應力和主軸與行星架接觸處表麵的應力。從表中結果可以看出,是否考慮脹緊聯結套的作用對截麵VI,VII處應力值影響很大。考慮脹緊聯結套的作用時,主軸截麵VI,VII處的應力更真實。工程計算與有限元分析主軸不同截麵上應力值都有差別,截麵I,III,IV,V,VII處應力值誤差為10%左右,截麵II處應力值誤差較大,主要原因是工程計算和有限元分析邊界條件差異所致(軸承的等效處理),截麵VI處應力差別很大,主要原因是在脹緊聯結套脹緊力作用下主軸有邊緣效應。
4、結論
    單獨使有限元法或工程計算能準確分析風力機主軸的強度,隻用有限元法分析時脹緊聯結套部分對主軸的作用很難模擬,脹緊聯結套在脹緊過程中屬於大變形,並且接觸體多,計算時模型很難收斂,隻用工程計算的方法,由於脹緊聯結套的作用主軸上會存在邊緣效應,目前工程計算還沒有好的方法能夠準確計算,隻進行理論計算不能充分確定對分析起決定作用的應力,因此風力發電機主軸校核應采用有限元法進行計算。采用有限元分析和工程計算相結合的方法,能夠很好的解決以上兩種方法的缺點,使分析的結果更準確。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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