基于有限元的風電機組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析

基于有限元的風電機組齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析摘要齒輪箱是風力發(fā)電機組的重要部件之一，其扭力臂是轉(zhuǎn)動力矩輸入的關(guān)鍵部位。為了保障風力發(fā)電機組的運行安全和可靠性，必須對扭力臂的疲勞壽命進行分析和評估。本文采用有限元方法對一種常用的風力發(fā)電機組齒輪箱扭力臂進行了疲勞壽命分析，得出了其壽命預(yù)測結(jié)果，并基于分析結(jié)果提出了相應(yīng)的改進建議。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機組；齒輪箱；扭力臂；疲勞壽命；有限元分析AbstractGearboxisoneoftheimportantcomponentsofwindturbinegeneratorsets,anditstorquearmisthekeypartofrotationaltorqueinput.Inordertoensurethesafeandreliableoperationofwindturbinegeneratorsets,itisnecessarytoanalyzeandevaluatethefatiguelifeofthetorquearm.Inthispaper,thefatiguelifeanalysisofacommonlyusedwindturbinegearboxtorquearmwascarriedoutbasedonthefiniteelementmethod,andthepredictedliferesultswereobtained.Basedontheanalysisresults,correspondingimprovementsuggestionswereputforward.Keywords:windturbinegeneratorset;gearbox;torquearm;fatiguelife;finiteelementanalysis1.引言風力發(fā)電是當前最常見的可再生能源之一，具有清潔、可再生、環(huán)保等特點，同時其并網(wǎng)發(fā)電也具有較高的經(jīng)濟效益。作為風力發(fā)電機組的重要組成部分之一，齒輪箱主要負責將風輪轉(zhuǎn)動的低速運動轉(zhuǎn)換為發(fā)電機需要的高速運動，其扭力臂則承受了來自風輪的轉(zhuǎn)動力矩。然而，齒輪箱扭力臂在長期運行中容易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，導(dǎo)致失效甚至危及風力發(fā)電機組的運行安全。因此，對于扭力臂的疲勞壽命進行分析和評估是十分必要的。本文結(jié)合一種常用的風力發(fā)電機組齒輪箱扭力臂，采用有限元方法進行疲勞壽命分析，得出了其壽命預(yù)測結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改進建議。本文將從相關(guān)理論知識出發(fā)，介紹有限元方法在疲勞壽命分析中的應(yīng)用，詳細介紹齒輪箱扭力臂的有限元建模方法和疲勞壽命分析方法，并結(jié)合實例對其進行驗證和應(yīng)用。2.有限元方法在疲勞壽命分析中的應(yīng)用2.1有限元方法基本原理有限元方法是一種數(shù)值分析方法，是將實際結(jié)構(gòu)分割成許多小型有限元，通過建立有限元之間的邊界條件，以求解結(jié)構(gòu)在特定載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等變量。在結(jié)構(gòu)工程中，可采用有限元方法對結(jié)構(gòu)進行力學分析和優(yōu)化設(shè)計。在疲勞壽命分析中，通過有限元計算得到的應(yīng)力歷程，則可用于進行疲勞壽命分析。2.2有限元方法在疲勞壽命分析中的應(yīng)用根據(jù)疲勞損傷的特點，可以采用線性累積損傷理論（Palmgren-Miner準則）來進行疲勞壽命分析。針對線性累積損傷理論，通常采用的方法為Rainflow計數(shù)方法，通過Rainflow計數(shù)得到應(yīng)力循環(huán)次數(shù)及其所受的載荷水平，得到疲勞壽命的預(yù)測。同時，結(jié)合有限元方法，可基于結(jié)構(gòu)在特定載荷作用下的應(yīng)力歷程，進一步預(yù)測其疲勞壽命。3.齒輪箱扭力臂疲勞壽命分析3.1齒輪箱扭力臂的有限元建模本文所研究的齒輪箱扭力臂如圖1所示，其材料為45#鋼，外形尺寸為280mm×280mm×90mm。在有限元建模中，采用SolidWorks對其進行建模，并在AnsysWorkbench中對其進行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格質(zhì)量良好，節(jié)點數(shù)為3326個，單元數(shù)為13067個，建模結(jié)果如圖2所示。圖1齒輪箱扭力臂示意圖圖2齒輪箱扭力臂有限元建模結(jié)果3.2齒輪箱扭力臂的疲勞壽命分析在使用過程中，風力發(fā)電機組的齒輪箱承受著復(fù)雜的載荷歷程，其扭矩載荷與周期載荷的反復(fù)作用，導(dǎo)致壽命更加復(fù)雜。因此，采用Rainflow計數(shù)對其進行了應(yīng)力循環(huán)計算，如圖3所示。從圖中可知，齒輪箱扭力臂最大應(yīng)力為74.5MPa。圖3應(yīng)力循環(huán)曲線及Rainflow計數(shù)結(jié)果得到應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，根據(jù)線性累積損傷理論，結(jié)合標準S-N曲線，可預(yù)測齒輪箱扭力臂的疲勞壽命。在疲勞壽命分析中，通常采用的指標為疲勞壽命，其定義為在特定載荷作用下，結(jié)構(gòu)失效前能承受的循環(huán)載荷次數(shù)。在本文的實例中，依據(jù)標準S-N曲線，預(yù)測其疲勞壽命為232684次。4.改進建議4.1改進齒輪箱結(jié)構(gòu)在本文實例中，齒輪箱扭力臂的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果為232684次，其超過了風電機組實際使用壽命，但可能受到材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計等多種因素的影響。因此，在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)對齒輪箱結(jié)構(gòu)進行改進，選擇更好的材料、更優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計等一系列措施，從而提高齒輪箱的使用壽命。4.2采用多級齒輪傳動齒輪箱在工作過程中承受的載荷非常大，且受限于材料和工藝等因素，軸承、齒輪等部分易受疲勞影響。因此，將齒輪箱改為多級齒輪傳動，可有效提高齒輪材料的使用壽命，從而增加整個風力發(fā)電機組的使用壽命，并提高其