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風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸承擔(dān)著支承輪毅處傳遞過來的各種負(fù)載的作用，并將扭矩傳遞給增速齒輪箱，將軸向推力、氣動(dòng)彎矩傳遞給機(jī)艙、塔架，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中重要的部件，其設(shè)計(jì)安全性和合理性直接影響整個(gè)機(jī)組的性能。目前對風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸的強(qiáng)度校核，主要采用有限元分析方法，由于主軸受力較復(fù)雜且零件尺寸大，僅使用有限元法對主軸進(jìn)行較真實(shí)的分析存在一定的困難，應(yīng)用工程計(jì)算與有限元分析相結(jié)合的方法，能夠更加真實(shí)的模擬主軸的受力情況，對主軸的分析更為準(zhǔn)確。
1、電機(jī)主軸零件受力分析
風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸有多種支承方式，分析的主軸為主軸承和齒輪箱兩點(diǎn)支承。其中主軸承為調(diào)心滾珠軸承，在主軸受彎矩作用發(fā)生撓曲時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，改變軸承配合軸段的受力狀態(tài)；主軸尾端通過脹緊聯(lián)結(jié)套與齒輪箱行星架相連。主軸承受的軸向力通過主軸承系統(tǒng)(主軸承及軸套、軸承座)傳遞給機(jī)艙，承受正向推力時(shí)，通過主軸軸肩—前軸套一軸承一軸承座—機(jī)艙的路線傳遞；承受負(fù)向拉力時(shí)，通過主軸一主軸鎖緊螺母一后軸套—軸承一前軸承蓋—軸承座一機(jī)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面?zhèn)鬟f法向壓力。目前對軸承的模擬比較成熟，但對脹緊聯(lián)結(jié)套部分進(jìn)行了簡化，由于脹緊聯(lián)結(jié)套部分在有限元分析中是大變形且受力復(fù)雜，考慮脹緊聯(lián)結(jié)套會使分析十分困難，但主軸與脹緊聯(lián)結(jié)套結(jié)合部位應(yīng)力最大，基于此原因，脹緊聯(lián)結(jié)套對主軸的作用力通過工程計(jì)算獲得，對主軸進(jìn)行有限元分析時(shí)考慮脹緊聯(lián)結(jié)套對主軸的作用。
2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jié)點(diǎn)六面體7號單元?jiǎng)澐郑瑔卧叽鐬?-30mm，總網(wǎng)格數(shù)目為412040。根據(jù)實(shí)際受力特點(diǎn)，載荷通過輪毅傳遞到主軸上，在主軸承座處受到支承，轉(zhuǎn)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(diǎn)上。在行星架與脹緊聯(lián)結(jié)套接觸部分行星架外表面上施加法向壓力，模擬脹緊聯(lián)結(jié)套對主軸的作用力，扭矩經(jīng)主軸、行星架傳出。
2.2、主軸有限元分析的邊界條件
依據(jù)軸承和兩側(cè)軸套的特征尺寸，在主軸承處建立剛性面，用于模擬主軸承和軸套系統(tǒng)給主軸提供的支承(即設(shè)置邊界條件)，在主軸承的中心點(diǎn)建立剛性面的控制節(jié)點(diǎn)，用于對剛性面的自由度進(jìn)行控制。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(shè)置為變形體。根據(jù)主軸尾端的實(shí)際裝配關(guān)系，行星架內(nèi)表面分成兩部分，前半部分與主軸通過脹緊聯(lián)接套抱緊，后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：約束剛性面X,Y,Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度及繞X軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以表達(dá)主軸承的調(diào)心性能。
Fix-carrier：通過創(chuàng)建RBE2單元，將行星架尾端面的節(jié)點(diǎn)連接至行星架中心點(diǎn)，約束行星架中心點(diǎn)(即RBE2的控制節(jié)點(diǎn))在X,Y,Z軸三個(gè)方向上的的平動(dòng)自由度和繞X軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
Mx Max：通過創(chuàng)建RBE3單元，將輪毅法蘭邊界上的節(jié)點(diǎn)連接至輪毅中心點(diǎn)，在輪毅中心點(diǎn)(即RBE3的控制節(jié)點(diǎn))施加極限載荷。
Face load：模擬脹套內(nèi)環(huán)與行星架間的作用力，在行星架外表面加載正壓力，正壓力由理論計(jì)算得到。
3、計(jì)算結(jié)果較分析
截面VII處結(jié)果有兩個(gè)應(yīng)力值(434.4/252.0)，分別為主軸與行星架接觸部分主軸內(nèi)孔壁的應(yīng)力和主軸與行星架接觸處表面的應(yīng)力。從表中結(jié)果可以看出，是否考慮脹緊聯(lián)結(jié)套的作用對截面VI，VII處應(yīng)力值影響很大�？紤]脹緊聯(lián)結(jié)套的作用時(shí)，主軸截面VI，VII處的應(yīng)力更真實(shí)。工程計(jì)算與有限元分析主軸不同截面上應(yīng)力值都有差別，截面I，III，IV，V，VII處應(yīng)力值誤差為10%左右，截面II處應(yīng)力值誤差較大，主要原因是工程計(jì)算和有限元分析邊界條件差異所致(軸承的等效處理)，截面VI處應(yīng)力差別很大，主要原因是在脹緊聯(lián)結(jié)套脹緊力作用下主軸有邊緣效應(yīng)。
4、結(jié)論
單獨(dú)使有限元法或工程計(jì)算能準(zhǔn)確分析風(fēng)力機(jī)主軸的強(qiáng)度，只用有限元法分析時(shí)脹緊聯(lián)結(jié)套部分對主軸的作用很難模擬，脹緊聯(lián)結(jié)套在脹緊過程中屬于大變形，并且接觸體多，計(jì)算時(shí)模型很難收斂，只用工程計(jì)算的方法，由于脹緊聯(lián)結(jié)套的作用主軸上會存在邊緣效應(yīng)，目前工程計(jì)算還沒有好的方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算，只進(jìn)行理論計(jì)算不能充分確定對分析起決定作用的應(yīng)力，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸校核應(yīng)采用有限元法進(jìn)行計(jì)算。采用有限元分析和工程計(jì)算相結(jié)合的方法，能夠很好的解決以上兩種方法的缺點(diǎn)，使分析的結(jié)果更準(zhǔn)確。
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