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风力发电机主轴结构强度分析

时间:2015-10-27 21:19 所属行业:能源装备、发电、强度分析

强度分析
    风力发电机主轴承担着支承轮毅处传递过来的各种负载的作用,并将扭矩传递给增速齿轮箱,将轴向推力、气动弯矩传递给机舱、塔架,是风力发电机组中重要的部件,其设计安全性和合理性直接影响整个机组的性能。目前对风力发电机主轴的强度校核,主要采用亚洲城88方法,由于主轴受力较复杂且零件尺寸大,仅使用有限元法对主轴进行较真实的分析存在一定的困难,应用工程计算与亚洲城88相结合的方法,能够更加真实的模拟主轴的受力情况,对主轴的分析更为准确。
1、电机主轴零件受力分析
    风力发电机主轴有多种支承方式,分析的主轴为主轴承和齿轮箱两点支承。其中主轴承为调心滚珠轴承,在主轴受弯矩作用发生挠曲时可以自动调整,改变轴承配合轴段的受力状态;主轴尾端通过胀紧联结套与齿轮箱行星架相连。主轴承受的轴向力通过主轴承系统(主轴承及轴套、轴承座)传递给机舱,承受正向推力时,通过主轴轴肩—前轴套一轴承一轴承座—机舱的路线传递;承受负向拉力时,通过主轴一主轴锁紧螺母一后轴套—轴承一前轴承盖—轴承座一机舱传递。在这两条传力路线中,除主轴与锁紧螺母之问通过螺纹传力外,其他零件之间均通过接触面传递法向压力。目前对轴承的模拟比较成熟,但对胀紧联结套部分进行了简化,由于胀紧联结套部分在亚洲城88中是大变形且受力复杂,考虑胀紧联结套会使分析十分困难,但主轴与胀紧联结套结合部位应力最大,基于此原因,胀紧联结套对主轴的作用力通过工程计算获得,对主轴进行亚洲城88时考虑胀紧联结套对主轴的作用。
2、风力发电机主轴亚洲城88
2.1、主轴亚洲城88模型
    在MSC.Mentat2008中建立主轴有限元模型。模型采用8节点六面体7号单元划分,单元尺寸为5-30mm,总网格数目为412040。根据实际受力特点,载荷通过轮毅传递到主轴上,在主轴承座处受到支承,转矩从尾端的行星架处传出。模型将部分轮毅和主轴固定连接,将圆螺母和主轴固定连接,载荷施加在轮毅的中心点上。在行星架与胀紧联结套接触部分行星架外表面上施加法向压力,模拟胀紧联结套对主轴的作用力,扭矩经主轴、行星架传出。
2.2、主轴亚洲城88的边界条件
    依据轴承和两侧轴套的特征尺寸,在主轴承处建立刚性面,用于模拟主轴承和轴套系统给主轴提供的支承(即设置边界条件),在主轴承的中心点建立刚性面的控制节点,用于对刚性面的自由度进行控制。安装主轴承处的轴肩、锁紧螺母和与轴承接触的轴段部分以及主轴尾端与行星架接触部分的单元设置为变形体。根据主轴尾端的实际装配关系,行星架内表面分成两部分,前半部分与主轴通过胀紧联接套抱紧,后半部分与主轴为间歇配合。
    边界条件和载荷施加说明如下:
    Fix-bearing:约束刚性面X,Y,Z三个方向的平动自由度及绕X轴向的转动自由度,以表达主轴承的调心性能。
    Fix-carrier:通过创建RBE2单元,将行星架尾端面的节点连接至行星架中心点,约束行星架中心点(即RBE2的控制节点)在X,Y,Z轴三个方向上的的平动自由度和绕X轴向转动自由度。
    Mx Max:通过创建RBE3单元,将轮毅法兰边界上的节点连接至轮毅中心点,在轮毅中心点(即RBE3的控制节点)施加极限载荷。
    Face load:模拟胀套内环与行星架间的作用力,在行星架外表面加载正压力,正压力由理论计算得到。
3、计算结果较分析   
    截面VII处结果有两个应力值(434.4/252.0),分别为主轴与行星架接触部分主轴内孔壁的应力和主轴与行星架接触处表面的应力。从表中结果可以看出,是否考虑胀紧联结套的作用对截面VI,VII处应力值影响很大。考虑胀紧联结套的作用时,主轴截面VI,VII处的应力更真实。工程计算与亚洲城88主轴不同截面上应力值都有差别,截面I,III,IV,V,VII处应力值误差为10%左右,截面II处应力值误差较大,主要原因是工程计算和亚洲城88边界条件差异所致(轴承的等效处理),截面VI处应力差别很大,主要原因是在胀紧联结套胀紧力作用下主轴有边缘效应。
4、结论
    单独使有限元法或工程计算能准确分析风力机主轴的强度,只用有限元法分析时胀紧联结套部分对主轴的作用很难模拟,胀紧联结套在胀紧过程中属于大变形,并且接触体多,计算时模型很难收敛,只用工程计算的方法,由于胀紧联结套的作用主轴上会存在边缘效应,目前工程计算还没有好的方法能够准确计算,只进行理论计算不能充分确定对分析起决定作用的应力,因此风力发电机主轴校核应采用有限元法进行计算。采用亚洲城88和工程计算相结合的方法,能够很好的解决以上两种方法的缺点,使分析的结果更准确。

                                                                                  专业从事机械产品设计│亚洲城88│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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