1、風力發電機主軸靜強度分析西安理工大學研究生課程論文/研究報告課程名稱： 有限單元法及程序設計 課程代號： 000204 任課教師： 何欽象 論文/研究報告題目： 風力發電機主軸靜強度分析 完成日期： 2016 年 11 月 28 日學 科： 機械設計制造及其自動化 學 號： 2160220008 姓 名： 張玉敏 成 績： 風力發電機主軸靜強度分析1、 概述風力發電機作為清潔能源的一種有效利用形式,受到世界各國的推廣使用。但是,據統計當前風力發電機組都有著較高的故障率。其中,主軸軸承、齒輪箱、發電機是造成風力發電機故障的主要部件。而主軸軸承故障所造成的風力發電機破壞性損失較大,嚴重影響了風力發

2、電機的運行可靠性。因此,對風力發電機主軸的故障診斷研究具有十分重要的意義。風力發電主軸為風電力發電系統中的主要動力傳遞結構，在風力發電機的實際工作中，主軸承受多種多樣的載荷工況，但所有載荷的來源都是由于葉片受風載傳遞過來的。在風力發電機的設計中，必須要根據實際的設計工況對主軸進行強度分析，因為主軸一旦在工作中發生結構破壞，則整個風機將無法使用。本文通過Workbench軟件對某風力發電機組主軸結構進行了強度分析，加載載荷為輪轂中心坐標系下載荷，最終計算結果表示主軸結構滿足強度要求。2、 有限元模型風力發電機的主軸，也稱低速軸，連接風力發電機的輪轂和發電機增速箱，用于傳遞風輪轉動的扭矩，帶動發電

3、機發電，同時需要將風輪的軸向推力、葉輪和機艙重力以及自身重力作用的彎矩傳遞到機艙。對主軸系統的分析，首要任務運用有限元法對主軸強度和剛度進行分析校核。可以用扭矩或者彎矩合成來校核主軸強度，當軸受到彎矩較小或者不受彎矩載荷以及軸的跨度不確定的情況下可以用扭矩校核主軸的強度；當軸所承受的載荷和支撐位置均已確定時，可以用彎矩和扭轉的合成強度進行計算。在風力發電機設計的初始方案已經得到確定，主軸的結構和荷載都可獲得的情況下，運用有限元對主軸的強度進行校核是更為有效的解決方法。本文主要對風力發電機的主軸進行有限元靜強度分析。主軸的幾何形狀是由多段不同直徑的圓柱組成，是一個回轉體。為了去除毛刺、便于裝配以

4、及保護裝配表面，主軸的各軸段之間有軸肩、倒角和圓角。幾何模型采用Workbench的DM模塊建立，其中幾何截面模型如圖1所示，為保證計算的準確性，模型中除了包含主軸結構外，還包含了兩個軸承的內圈假體，軸承擋圈假體，以及齒輪箱假體。這樣一方面避免了將約束直接加載至主軸結構上，避免加載引起的應力集中或者應力奇異現象，同時還可以考慮到部分接觸非線性問題，所以建模中包含了部分假體。圖1 幾何模型對上述已經建好的模型進行網格劃分，為保證分析的準確行，網格劃分以六面體為主，最終的網格模型如圖2所示。同時對主軸的倒角處采用局部加密，如圖3所示。網格總數為236267，節點總數為205611。圖2 有限元網格

5、模型圖3 主軸部分倒角處網格主軸的靜力分析主要的作用是計算在固定載荷時的結構的響應，計算那些不包括慣性和阻尼效應的載荷作用于結構時引起的位移、應力、應變和力的變化。靜力分析還可用于計算一些慣性載荷固定時（如重力和離心力）對結構的影響，以及那些可以近似等價于靜力作用的隨時間變化載荷的作用。靜力分析包括線性靜力分析和非線性靜力分析，其中，非線性靜力分析有許多種類型，包括大的變形、塑性變化、應力鋼化、蠕動變形、接觸單元、超彈性單元等。采用Workbench軟件的網格質量檢查功能，對主軸有限元模型進行網格質量的檢查。網格質量柱狀圖如圖4所示。越接近1則網格質量越好，越接近0則越差，檢查結果表面，整體網

6、格質量很好，大部分在0.6以上，只有極少部分的網格質量較差，不會對計算結果造成影響。圖4 網格質量其中，主軸的彈性模量為2.06e11MPa，泊松比為0.3。其余假體部分的均按照鋼材的材料屬性。3、 載荷與約束條件主軸承受的載荷是由前端法蘭盤連接的輪轂傳遞的非對稱載荷，在輪轂中心建立剛性梁單元，以便于將載荷平均分配在輪轂的端面上。橫向彎曲載荷對主軸強度的影響較大，為提高主軸在彎矩作用下的承受能力，軸承采用調心滾子軸承。主軸進行有限元分析，需要注意軸承的調心性能對應力分布具有改善作用，因此可以通過設置合理的邊界條件來表達軸承系統的調心自由度。主軸與軸承內圈之間的接觸均為非線性接觸，考慮到實際工作

7、情況，對主軸的接觸做如下設置。對軸承的兩個軸承面進行約束，將軸承段表面的節點轉換為節點坐標下的節點，約束前端軸承Z方向位移和后端軸承的X，Y方向位移。在風力機啟動時刻，主軸有一定的旋轉，節點坐標系中的Y方向為主軸旋轉角度方向，因此不約束Y方向的位移。軸承內圈一與主軸之間設為摩擦接觸，摩擦系數為0.15，且設置0.4mm的過盈量。軸承內圈二與主軸之間同樣設為摩擦接觸，摩擦系數為0.15。軸承擋圈與軸承已經軸承內圈一之間的接觸面設為綁定接觸。齒輪箱假體內表面與主軸外表面之間設置綁定接觸。圖5 接觸設置根據軸承和兩側軸套的配合尺寸，將軸承、軸套與主軸配合面處定義為剛性面，用來模擬兩者對軸承的支撐，在

8、軸承中心處創建關鍵點，利用關鍵點對剛性面自由度進行約束。主軸與剛性面之間為接觸關系，但由于系統模型簡化，故兩者之間的摩擦關系不予考慮，兩者之間僅有法向接觸反力，可以用來表達軸承系統（軸承、軸套和軸承座等）對主軸的支撐作用。因此，整個有限元分析模型的邊界條件設置情況如下：1） 約束剛性面的繞軸向的轉動自由度和平動自由度，保留其繞Y、Z軸的轉動自由度，用來模擬兩個軸承的調心性能：a.約束剛性面的繞軸向轉動自由度約束剛性面繞X軸的轉動自由度，保留剛性面繞Y、Z軸的轉動自由度。由于主軸與剛性面之間只有法向力相互作用，不受切向摩擦力，因此約束剛性面的饒軸向轉動自由度并不影響主軸的轉動。b.約束剛性面平動

9、自由度主軸受到的軸向載荷是通過軸肩和軸套的配合來傳遞給系統軸承系統的，在模型簡化時，將軸套與軸承視為一個整體，由于軸套的作用使主軸在軸向不產生位移，所以將其軸向位移固定，而徑向位移是由軸承和軸套兩者共同承載的，所以將平動自由度固定。2） 約束主軸尾端的平動和繞軸向轉動的轉動自由度主軸尾端通過彈性聯軸器與發電機相連接可以看做為主軸尾端的支撐點，因此要約束其平動自由度。傳遞的扭矩傳輸給發電機，因此需要約束主軸尾端的繞軸向轉動自由度結合實際情況，對主軸結構進行加載設置，其中齒輪箱假體部分約束轉動自由度，軸承內圈假體的外表面采用remote Displacement進行約束，約束三個平動自由度，放開轉

10、動自由度，來模擬實際的軸承約束。如圖6所示。圖6 邊界條件載荷加載采用輪轂中心載荷，載荷如下表所示，其中對下較為惡劣的一組工況進行強度分析，如下所示。MxMyMzMyzFxFyFzFyzLoad casekNmkNmkNmkNmkNkNkNkNMyzMaxslc2.2b60_HH801196.52059.14407.94865.160.2-36.3-414.2415.8三個工況的加載和約束方式均相同，只是載荷大小的區別，加載方式如圖7所示，在輪轂中心位置創建遠程點，且與主軸的法蘭裝配面相關聯。圖7 加載方式4、 計算結果Mz Max工況下的計算結果進行求解處理后的結果，如下圖8、圖10所示，在

11、橫向彎矩的作用下，主軸繞調心滾子軸承球心處發生彎曲，軸承的調心作用被表達出來。該工況下主軸最大變形為2.35mm，主軸最大等效應力為221.34MPa，發生與軸承擋圈配合階段的主軸倒角處。應力主要集中于主軸的軸肩處，應力分布和預期結果相似。主軸材料為42CrMo，材料的屈服極限為930MPa，按照GL標準，材料的安全系數取1.1，則材料的許用應力為845MPa，則在該工況下主軸的最大等于應力小于材料許用應力，則材料滿足強度要求。最大應力出現的位置集中于軸肩和漲緊連接套抱緊段前端兩個部位。軸肩是主軸結構中直接承受橫向彎矩邊界，漲緊連接套抱緊段前端是軸向扭距的傳出邊界，主軸的最大應力集中于這兩個部位，反映了結構的傳力邊界對主軸強度的影響很大。圖8 主軸等效應力云圖圖9 局部放大應力云圖圖10 位移云圖5、 總結近年來，全球風力發電行業迅速發展，累計裝機容量以年均20%以上的速度遞增，隨之而來的是對風力發電機組關鍵零部件質量的要求也不斷提高。然而我國的風力發電機組技術起步較晚，自主創新能力薄弱，關鍵技術受制于人，對我國風電行業的發展影響很大。本文基于此背景下提出，對大型風力發電機組的關鍵零部件之一的主軸的靜強度進行了分析研究，探求主軸設計的一般準則，為國產