大型風(fēng)力發(fā)電機主軸的有限元分析及制造工藝

沈陽電機股份有限公司 李子喬 徐名

沈陽首龍機電成套設(shè)備有限公司 張寅秋

1 前言

風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒3公尺的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風(fēng)力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。我國也在西部地區(qū)大力提倡。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機頭組成的，而是一個有一定科技含量的小系統(tǒng):風(fēng)力發(fā)電機＋充電器＋數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片等組成。葉片用來接受風(fēng)力并通過主軸傳遞給變速箱，變速箱帶動發(fā)電機將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)為電能；主軸是第一個傳導(dǎo)力的零部件，是風(fēng)力發(fā)電機組中重要的部件，其壽命與性能對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是非常重要的。風(fēng)力發(fā)電機組主軸由軸承座和增速箱支撐安裝在機艙前底盤上，主軸前端與風(fēng)輪相連。葉片產(chǎn)生的氣動載荷以及由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)所引起的離心力、慣性力和風(fēng)輪自重通過輪轂傳遞給主軸。由于風(fēng)速變化頻數(shù)較高，因此主軸在使用過程承受較大的交變載荷。對于主軸的結(jié)構(gòu)及受力分析就具有重要意義。

2 主軸受力分析過程

2.1 風(fēng)力發(fā)電機主軸

風(fēng)力發(fā)電機主軸一般有多種支撐方式。本文即在其中一種極限載荷工況下分析這些載荷對主軸強度的影響。這次選用的是雙列球面軸承，基本示意圖如下圖:

建立零件模型——根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計圖紙,運用建模軟件pro/e建立風(fēng)力發(fā)電機主軸的三維實體模型（如圖1）。

圖1 主軸結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)入分析軟件MSC.Patran/Nastran以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

載荷選擇——本文例舉其中一種極限載荷工況進(jìn)行應(yīng)力分析，載荷工況見表1-1。

?

在線性靜強度結(jié)構(gòu)分析中，對主軸定義材料屬性:

主軸材料:42CrMoA

密度 ρ= 7.8×103 kg/m3

泊松比 λ = 0.3

彈性模量 E = 206000 MPa

屈服極限 σs = 600 MPa

網(wǎng)格劃分的兩個基本原則:網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計算結(jié)果的精度,網(wǎng)格數(shù)量增加,計算精度有所提高,但計算時間規(guī)模也會增加；在載荷變化梯度較大的部位(如應(yīng)力集中處),為了較好地反映結(jié)果變化規(guī)律,需要采用比較密集的劃分。

具體的網(wǎng)格劃分:主軸選用8節(jié)點六面體單元分網(wǎng)，風(fēng)輪中心載荷點與主軸法蘭螺栓孔面上相應(yīng)的節(jié)點用MPC剛性梁單元連接；軸承內(nèi)圈作為假體，內(nèi)圈外環(huán)面上的節(jié)點與內(nèi)圈中心節(jié)點用MPC剛性梁單元連接，尾端鎖緊盤也建立假體，采用同樣方式連接。在該風(fēng)輪中心載荷點施加風(fēng)輪載荷，在軸承中心點施加UX、UY和UZ位移約束，在主軸尾端鎖緊面中心點施加UY、UZ、RX、RY和RZ位移約束。該模型共計114831個節(jié)點，94332個單元。有限元模型見圖2。

在設(shè)計樹中加入所要求的結(jié)果,本例中是要求形變(Deformation)云圖和應(yīng)力( Stress)云圖。運行軟件進(jìn)行運算求解。

圖2 主軸有限元模型

后處理/看結(jié)果——主軸在此極限載荷工況下的最大等效應(yīng)力為329Mpa，最大變形為5.54mm。主軸應(yīng)力及位移云圖見圖3-圖4。

圖3 等效應(yīng)力分布圖

圖4 位移變形分布圖

2.2 計算結(jié)果分析

主軸在此極限載荷工況下的最大等效應(yīng)力為329Mpa，小于主軸材料的屈服極限600MPa，所以該強度滿足設(shè)計要求。

對于應(yīng)力集中的部位,應(yīng)采用適當(dāng)?shù)拇胧巛S肩過渡圓角應(yīng)大、在軸上或輪轂上開減載槽、凹切圓角等。

如需對主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行新的優(yōu)化方案，還需進(jìn)行疲勞分析以及動力學(xué)分析以得到合格的產(chǎn)品。

3 制造工藝

3.1 技術(shù)要求

主軸工作環(huán)境:環(huán)境極限最低氣溫為:－40℃；

環(huán)境極端最高氣溫為:+55℃；

主軸用于把風(fēng)輪的動力傳給齒輪箱，由于風(fēng)速變化頻數(shù)較高，因此主軸在使用過程承受較大的交變載荷。由于環(huán)境的最低氣溫為－40℃，材質(zhì)必須滿足低溫工況的要求。本件應(yīng)精心鍛造，粗加工后按JB/T 5000.15－1998進(jìn)行UT探傷，對整根軸進(jìn)行100%的探傷，零件表面及內(nèi)部不應(yīng)有裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，并提供探傷報告。

主軸的材質(zhì)為34CrNiMo6，材料的各項性能符合GB3077-88的各項規(guī)定。主軸應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，處理后的硬度為:HB241－269。主軸調(diào)質(zhì)處理后，用軸端法蘭處切下環(huán)件按照J(rèn)B/T 5000.8-1998第V組作機械性能試驗，試驗結(jié)果應(yīng)符合:σb=980MPa，σS=835MPa，δ5＝12%，φ＝50%，Aku=63J（以上的各項性能指標(biāo)為最低要求），并提供試驗報告。各過渡圓角及截面變化處在寬50－100mm范圍內(nèi)應(yīng)按照J(rèn)B/T 5000.15－1998進(jìn)行UT探傷，不應(yīng)有裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，并提供探傷報告。主軸上粗糙度為Ra1.6的3個配合面，加工尺寸應(yīng)控制在公差的中間值上。各圓角表面粗糙度不得低于Ra3.2。卸荷槽應(yīng)銳邊倒鈍并拋光。所有大于10mm的孔倒角為2x45度，小于或等于10mm的孔倒角為1×45度。主軸上非配合面熱噴鋅厚度0.115mm，然后刷2道底漆，底漆采用環(huán)氧富鋅漆，干膜厚度為80um（具體的防腐范圍見買方簽字確認(rèn)的加工圖紙）。

3.2 制造工藝過程

主軸鍛造需按照鍛件的技術(shù)要求繪制鍛件工作圖，使其加工余量均勻，保證技術(shù)要求。主軸粗加工步驟包括:（1）預(yù)打中心孔；（2）車中心架子口；（3）支撐中心架子口，車端面鉆標(biāo)準(zhǔn)中心孔，粗車各臺階，使其達(dá)到熱處理的要求。然后按照軸調(diào)質(zhì)的技術(shù)要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，處理后的硬度為:HB241－269。保證加工性能，用軸端法蘭處切下環(huán)件按照J(rèn)B/T 5000.8-1998第V組作機械性能試驗，試驗結(jié)果應(yīng)符合:σb=980MPa，σS=835MPa，δ5＝12%，φ＝50%，Aku=63J，保證機械性能。

主軸是傳遞扭矩、承受轉(zhuǎn)子全部重量的重要部件。為了保證主軸加工精度，選用的臥車、磨床、鏜床均為大精尖設(shè)備:（1）裝夾:主軸錐孔安裝定位擋鐵，尾座安裝活頂尖，頂尖頂牢，卡盤夾緊，精車各臺階及法蘭盤。對粗糙度Ra1.6的3個配合面均留0.8mm～0.5mm磨加工余量。保證加工尺寸在公差的中間值上。（2）調(diào)頭加工另一端。

主軸磨加工是指裝卡前修磨中心孔，兩頂尖頂牢中心孔并卡緊，磨削3個配合面，保證主軸上粗糙度為Ra1.6。主軸檢驗分兩步:（1）按照技術(shù)要求進(jìn)行全面檢測，合格后進(jìn)行保護(hù)和防銹處理。（2）按照主軸上非配合面熱噴鋅厚度0.115mm，然后刷2道底漆，底漆采用環(huán)氧富鋅漆，干膜厚度為80um。

3.3 小結(jié)

本文采用的傳統(tǒng)制造工藝與有限元分析相結(jié)合的方法，可對該類型主軸進(jìn)行精確的分析，保證了電機的成功制造。使技術(shù)人員掌握了CAE平臺MSC.Patran/Nastran 軟件對主軸的靜強度進(jìn)行了有限元分析的方法，保證了方案設(shè)計的可靠性，提高了技術(shù)人員的工作效率，易于工程應(yīng)用。