大型風電機組主軸強度分析

1、大型風電機組主軸強度分析毛淳誠;林勝洋;曹廣啟期刊名稱】風能年(卷),期】2015(000)005【總頁數(shù)】5頁(P82-86) 【作 者】 毛淳誠;林勝洋;曹廣啟【作者單位】 上海交通大學;上海交通大學;上海交通大學【正文語種】 中 文進入21 世紀以來，全球風電裝機容量始終保持著每年30%以上的增長速度，單機 容量在兆瓦級以上的風電機組已逐漸成為主流機組，被大量應用于風電場中。主軸 是風電機組中最關(guān)鍵的部件之一，它承擔了支撐輪轂處傳遞過來的各種負載的作用， 并將扭矩傳遞給齒輪箱，將軸向推力、扭矩和彎矩傳遞給機座和塔架。只有使用設 計精良、質(zhì)量可靠、力學性能優(yōu)越的主軸才能確保風電機組正常穩(wěn)定

2、地運行。 目前，大部分企業(yè)都使用工程計算的方法對風電機組主軸進行強度校核。在此方法 中，主軸被簡化為變截面梁，螺紋、倒角及卸載槽等，細節(jié)部分則只是依據(jù)經(jīng)驗公 式進行校核計算，因而只能得到少數(shù)危險截面的安全系數(shù)，無法獲悉主軸整體的應 力分布狀況。有限元方法的出現(xiàn)使得對具有復雜細節(jié)特征的主軸進行整體應力分析 成為可能。使用有限元法能夠得到主軸上各個位置的應力和位移信息，進而描繪出 整個主軸的應力分布云圖以便進行后續(xù)的分析和校核。本文根據(jù)有限元法的理論， 在 Ansys 軟件平臺上創(chuàng)建了包含所有細部結(jié)構(gòu)的三維主軸模型并進行了給定載荷 條件下的強度和疲勞計算和分析，為主軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 有

3、限元模型的建立 本文中的主軸為三點式支撐結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主軸最前端（圖1中左端）與輪 轂連接，前部開有卸載槽的軸端將加裝主軸承并由主軸承座支撐，后端伸入齒輪箱 行星架內(nèi)孔，并用脹緊套脹緊。齒輪箱兩側(cè)裝有由彈性支撐臂，用以吸收來自葉片 的突變負載。主軸材料為42CrMo，其材料屬性如表1所示。根據(jù)設計，安裝主軸承處卸載槽深度僅為0.15mm，與該處軸徑尺寸（630mm） 相差太大，如采用全局參數(shù)控制進行網(wǎng)格劃分，所得網(wǎng)格的質(zhì)量將無法保證。此外， 安裝主軸鎖緊螺母處為梯形螺紋，且螺紋上開有鍵槽，如將此細節(jié)建模并劃分網(wǎng)格， 將使整體模型過于復雜而無法計算。因此，在主軸整體計算模型（主模型）中須將

4、此兩處簡化。與此同時，分別截取上述兩簡化區(qū)域進行精確的子模型建模并細分網(wǎng) 格（見圖2、圖3 ）并用計算所得的應力集中系數(shù)對整體計算結(jié)果進行修正，以降 低簡化所帶來的計算誤差。圖1 主軸模型表1主軸材料屬性（42CrMo）密度7850 kg/m3泊松比0.3楊氏彈性模量2e11N/ m2 拉伸強度，Rm 800 N/mm2 屈服強度，Rp0.2 640 N/mm2一、主軸整體計算模型（主模型）主軸整體網(wǎng)格如圖4所示，主體采用三維實體單元SOLID186進行劃分，在外表面上使用殼單元SHELL93建立了厚度為0.01mm的覆蓋層，用于疲勞計算。 主軸整體計算模型包括主軸、輪轂及主軸承內(nèi)圈，如圖5。

5、坐標原點即加載點為主 軸與輪轂的連接面中心，載荷通過BEAM4單元加在輪轂上，再傳遞到主軸；主軸 與輪轂為綁定接觸；主軸與主軸承內(nèi)圈共節(jié)點；主軸承中心與主軸承內(nèi)圈節(jié)點以 LINK10（僅受拉）連接，主軸承中心約束：UX, UY, UZ;主軸末端與齒輪箱行星 架內(nèi)孔連接用BEAM4模擬，連接段中心約束：UX, UY, ROTZ。圖6至圖8分別 給出了加載點和模型邊界條件的全局示意和局部放大視圖。圖2卸載槽區(qū)域子模型（a ）幾何模型；（a）有限元網(wǎng)格圖3鎖緊螺紋區(qū)域子模型（a）幾何模型；（a）有限元網(wǎng)格圖4 主軸網(wǎng)格圖5 計算用部件二、區(qū)域應力集中系數(shù)計算模型（子模型） 為了計算卸載槽區(qū)域和鎖緊螺

6、紋區(qū)域子模型的應力集中系數(shù)，在細化模型一側(cè)加約 束，另一側(cè)加均布的力1000kN進行運算，所得結(jié)果如圖9和圖10所示。圖6 邊界條件圖7主軸承（LINK10）圖8與齒輪箱行星架內(nèi)孔連接（BEAM4）計算最大應力值除以名義應力值即為應力集中系數(shù)，計算結(jié)果如表2。載荷本文涉及的風電機組功率為1.5MW，風輪直徑為70m，輪轂高度為65m，適用 風區(qū)為皿A類。載荷計算是根據(jù)GL規(guī)范（2007 ）和IEC61400 - 1 （ 2005 ）標準 進行的。所有載荷工況均是在氣流傾斜角為10（上升氣流方向）時計算得到的。 主軸的極限強度計算中使用的是包絡極限載荷工況，本文選取對主軸影響較大的2 個包絡載荷

7、進行實際運算，載荷數(shù)據(jù)見表3。主軸的疲勞強度計算使用的疲勞載荷 工況見表4，雨流計數(shù)根據(jù)標準IEC 3類風電場風能資源條件（年平均風速 7.5m/s，瑞利風速分布）計算。圖9 卸載槽細化模型計算結(jié)果計算結(jié)果分析一、極限強度計算結(jié)果42CrMo的屈服強度為640MPa, GL要求的最小安全系數(shù)為1.1。所以設許用應力 為 582MPa。二、主軸整體模型計算結(jié)果 主軸整體模型計算結(jié)果如表5所示，最大應力出現(xiàn)在鎖緊螺紋處，見圖11。三、計算結(jié)果修正 將卸載槽處和鎖緊螺紋處的單元取出，將其最大應力值乘以該處的應力集中系數(shù)得 到修正后的極限結(jié)果列于表6。圖10 鎖緊螺紋細化模型計算結(jié)果表2應力集中系數(shù)計

8、算結(jié)果直徑(m)截面積(m2)力(kN)名義應力(Pa) FEM計算 結(jié)果(Pa)應力集中系數(shù)卸載槽 0.6297 0.311428 1.00E+06 3.21E+06 3.84E+06 1.20鎖緊螺紋 0.63 0.311725 1.00E+06 3.21E+06 7.97E+06 2.48表3 極限載荷工況載荷工況 FxR1kN FyR1kN FzR1kN MxR1kNm MyR1kNm MzR1kNmMxmax D1-dlc13-b4-R1 -1.26E+02 -3.34E+02 - 8.71E+01 -3.04E+03 -5.89E+02 2.34E+02 Mymax D1-dlc1

9、3-b4-R2 - 3.39E+02 1.37E+02 -6.66E+01 7.53E+02 3.49E+03 1.82E+02表4疲勞載荷工況20年使用壽命中的比例因子E1-DLC1.2a1, E1-DLC1.2a2, E1- DLC1.2a3 4.8E+04 E1-DLC1.2b1, E1-DLC1.2b2, E1-DLC1.2b3 7.0E+04 E1- DLC1.2c1, E1-DLC1.2c2, E1-DLC1.2c3 6.4E+04 E1-DLC1.2d1, E1-DLC1.2d2, E1-DLC1.2d3 4.8E+04 E1-DLC1.2e1, E1-DLC1.2e2, E1-

10、DLC1.2e3 3.2E+04 E1- DLC1.2f1, E1-DLC1.2f2, E1-DLC1.2f3 1.8E+04 E1-DLC1.2g1, E1-DLC1.2g2, E1-DLC1.2g3 9.0E+03 E1-DLC1.2h1, E1-DLC1.2h2, E1-DLC1.2h3 3.9E+03 E1-DLC1.2i1, E1-DLC1.2i2, E1-DLC1.2i3 1.7E+03 E1-DLC1.2j1, E1-DLC1.2j2, E1-DLC1.2j3 3.4E+02 E1-DLC2.3-b1 2.9E+03 E1-DLC1.10-1-b1 4.1E+05 E1- DLC

11、1.13-b1 4.0E+02 E1-DLC4.1-a1 4.0E+04 E1-DLC4.1-b1 2.0E+03 E1- DLC4.1-c1 2.0E+03 E1-DLC6.4-1, E1-DLC6.4-2, E1-DLC6.4-3 2.2E+02 載荷工 況表5主軸整體模型極限強度計算結(jié)果載荷工況最大應力MPa位移mm安全裕 度 Mxmax D1-dlc13-b4-R1 383.947 3.133 1.52 Mymax D1-dlc13-b4-R2 427.416 3.54 1.36表6極限強度計算結(jié)果FEM計算結(jié)果(Pa)卸載槽處Mxmax 383.947 1.2460.7364 1.2

12、6 Mymax 427.416 512.8992 1.13鎖緊螺紋處 Mxmax 174.582.48 432.9584 1.34 Mymax 200.292 496.7242 1.17 直徑(m)截面積(m2)力(kN) 名義應力(Pa)根據(jù)表中計算結(jié)果，主軸最大應力為513.2MPa，安全裕度為1.13，設計符合強 度要求。四、疲勞強度計算結(jié)果疲勞計算使用主軸表面的殼單元SHELL93 (除去接觸面和約束面上的單元)，考 慮LINK10的非線性影響，加載荷F=200kN，M = 1000kNm，計算后讀取單元應 力結(jié)果。將載荷時間序列轉(zhuǎn)化為應力的時間序列，然后對于單元中的每個節(jié)點的結(jié) 果進

13、行雨流統(tǒng)計得到馬克夫矩陣。采用臨界平面法(CPA )的正應力假設計算疲勞 損傷D，疲勞強度安全裕度S=1/( D1/ms )。圖11 Max包絡載荷極限計算結(jié)果圖示圖12主軸安全裕度圖13卸載槽處安全裕度圖14 鎖緊螺紋處安全裕度 卸載槽處和鎖緊螺母處的單元單獨計算，將該兩處的單元取出，其單元應力結(jié)果乘 以相應的應力集中系數(shù)，再進行疲勞計算。( )SN曲線修正根據(jù)GL規(guī)范，取m1=5 , m2=9 , ms=9 ;根據(jù)FKM標準查得Nd = 1e6 ,ow,zd,N=495MPa ；同時考慮如下五方面的影響選取相應的影響系數(shù)：1尺寸影響一一 慮較為保守的情況，取參考尺寸1130mm，根據(jù)FKM計算尺 寸影響系數(shù)Kd,m=0.54。2 材料各向不同性影響查 FKM 得影響系數(shù) KA=0.86。3粗糙度影響一一 慮較為保守的情況，取參考粗糙度Rz100，根據(jù)FKM計算粗 糙度影響系數(shù)KRq=0.735。4生存概率影響根據(jù)GL規(guī)范，取影響系數(shù)為0.67。5 材料安全系數(shù)根據(jù) GL 規(guī)范，取材料安全系數(shù)為 1.265。按以上影響系數(shù)修正SN曲線，得到主軸修正后應力幅值od = 177MPa。卸載槽 和鎖緊螺紋處的參考尺寸為630mm，粗糙度為Rz100 ,修正后應力幅值 od=198MPa。（二）疲勞計算結(jié)果疲勞計算