風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中太陽輪軸的疲勞分析

雷福祥等

摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的太陽輪易發(fā)生疲勞破壞，影響整個(gè)齒輪箱的疲勞壽命。利用UG軟件建立太陽輪軸的三維有限元模型，并通過ANSYS-workbench軟件對軸進(jìn)行靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)疲勞分析，為疲勞壽命設(shè)計(jì)提供一種方法，以預(yù)測太陽輪軸的疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；齒輪箱；疲勞壽命；有限元分析

中圖分類號：TH132.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）04-0027-03

風(fēng)電增速齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，它位于葉輪和發(fā)電機(jī)之間，將葉輪受風(fēng)力作用旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時(shí)將葉輪輸入的較低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足發(fā)電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速。因此，風(fēng)電增速齒輪箱是一種受無規(guī)律變向載荷的風(fēng)力作用及強(qiáng)陣風(fēng)沖擊的變載荷條件下工作的低速、重載、增速齒輪傳動裝置。太陽輪軸承接著周轉(zhuǎn)輪系與定軸輪系的載荷變化，易發(fā)生疲勞破壞，從而影響整個(gè)齒輪箱的疲勞壽命。利用有限元法對太陽輪軸進(jìn)行疲勞壽命分析，以預(yù)測太陽輪軸的疲勞壽命。

1 太陽輪軸載荷特點(diǎn)及三維建模

風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作時(shí)，由于與行星輪組成了周轉(zhuǎn)輪系，所以太陽輪受到隨時(shí)間周期性變化的交變載荷，從而在結(jié)構(gòu)部位產(chǎn)生了交變應(yīng)力，引起太陽輪軸的局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展，最后引起太陽輪上的某個(gè)齒突然斷裂。在傳統(tǒng)的扭力軸疲勞壽命分析中，往往只考慮單個(gè)軸，不考慮與其相配合的其他零件上的受力的影響，導(dǎo)致結(jié)果并不十分準(zhǔn)確。本文針對太陽輪與低速軸通過花鍵相互連接的特點(diǎn)，考慮太陽輪與花鍵軸相配合時(shí)作用力對雙方疲勞破壞的影響，使得結(jié)果更加準(zhǔn)確。

通過UG軟件建立太陽輪軸的三維有限元模型（如圖1所示），將X_T格式文件導(dǎo)入到ANSYS-workbench（AWB）中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型有

15 448個(gè)單元，28 166個(gè)節(jié)點(diǎn)，太陽輪和花鍵軸都采用合金鋼制造。

2 額定工況下太陽輪軸靜力學(xué)分析

2.1 太陽軸上受力及約束

太陽輪上所受的扭矩分別由與行星輪嚙合的3個(gè)輪齒傳入，根據(jù)風(fēng)力機(jī)的額定功率為750 kW，可推算出3個(gè)輪齒上的受力分別為131 105 N；將其作用在太陽輪的3個(gè)輪齒上，方向?yàn)轫槙r(shí)針，低速軸右端軸肩作用逆時(shí)針方向扭矩，大小為46 200 N·m，加載重力。太陽輪與花鍵軸之間設(shè)置成bonded（綁定接觸），太陽輪內(nèi)壁和花鍵軸配合軸承的軸肩設(shè)為Cyliderical Support（圓柱面約束），只允許切向轉(zhuǎn)動。太陽輪軸上的力及約束加載情況如圖2所示。

2.2 太陽軸上靜力學(xué)分析

利用有限元軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析計(jì)算可知，太陽輪上的最大應(yīng)力（Von-Mises）為165 MPa，發(fā)生在太陽輪與軸肩的過渡圓角處，以及花鍵軸與軸肩的過渡圓角處，符合應(yīng)力學(xué)規(guī)律。太陽輪與花鍵軸的應(yīng)力及應(yīng)變云圖如圖3—5所示。

根據(jù)太陽輪軸的應(yīng)力云圖分析可知，最大應(yīng)力發(fā)生在齒輪與軸肩、花鍵齒與軸肩的過渡圓角處。所以通過相關(guān)的疲勞理論知識，根據(jù)靜力學(xué)分析，可以進(jìn)一步對太陽輪軸的疲勞壽命進(jìn)行分析計(jì)算。

3 太陽輪軸的疲勞壽命分析

3.1 疲勞壽命分析相關(guān)理論

影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的因素很多，其中主要的有結(jié)構(gòu)的尺寸與形狀、表面狀況、平均應(yīng)力、環(huán)境介質(zhì)及溫度等。對于風(fēng)力機(jī)中的零部件來說，影響其疲勞壽命的因素主要是載荷特性、零件狀態(tài)及零件所采用材料的特性。

根據(jù)疲勞壽命理論，且考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各種工況條件，計(jì)算出設(shè)計(jì)壽命為242 500英里。

3.2 太陽輪軸疲勞壽命分析

1） 通過Ansysworkbench軟件進(jìn)行太陽輪的疲勞分析，得出太陽輪軸的二軸應(yīng)力指示（Biaxiality Indication）。單軸應(yīng)力區(qū)域?yàn)?，雙軸應(yīng)力區(qū)域?yàn)?，純剪切-1，最大應(yīng)力發(fā)生在齒輪與軸肩的過渡圓角處。本文主要研究隨機(jī)剪切載荷作用下的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命。太陽輪軸的雙軸應(yīng)力指示如圖7所示。

2） 通過有限元軟件自動進(jìn)行雨流計(jì)算分析，輸入相關(guān)參數(shù)，得到太陽輪軸的壽命、疲勞破壞、等效交變應(yīng)力、安全系數(shù)的相關(guān)云圖。本文中S—N曲線的最大壽命為1E6，無限壽命為1E6，零件最大和最先壽命均為1E6，認(rèn)為在該疲勞壽命下不會發(fā)生疲勞破壞（如圖8所示）。

Damage云圖表示設(shè)計(jì)壽命與可用壽命的比值。當(dāng)D>1時(shí)，說明零件發(fā)生疲勞破壞（如圖9所示）。計(jì)算方法為：設(shè)計(jì)壽命242 500除以1E6得0.242 5。

安全系數(shù)（Safety Factor）表示零件或構(gòu)件所用材料的失效應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)力的比值（如圖10所示）。由機(jī)械手冊可知：軸類零件的安全系數(shù)應(yīng)大于1.10，安全系數(shù)最小為0.52，發(fā)生在太陽輪軸肩段，所以這段應(yīng)采用特殊的熱處理，以滿足安全系數(shù)的最低要求。初步分析是受到隨機(jī)交變剪切載荷，以及尺寸效應(yīng)、缺口效應(yīng)、表面加工方法等影響。

4 結(jié)論

本文通過有限元軟件，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部位零件——太陽輪軸進(jìn)行疲勞壽命的分析計(jì)算，找到一種三維軟件UG與Ansys聯(lián)合分析的方法，預(yù)測了太陽輪軸的疲勞破壞，并提出改進(jìn)方法，今后可對風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)的疲勞分析及故障預(yù)測進(jìn)行深入研究。

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Abstract： Sun gear is easy to get fatigue destroy in wind turbine generator， and influences the fatigue life of the whole gearbox. The article presents the establishment of 3D finite element model of sun axle by using UG software， and expounds the analysis of statics and structural fatigue by ANSYS-workbench software. It provides a method for the design of fatigue life in order to predict the fatigue life of sun axle.

Key words： wind generator； gearbox； fatigue life； finite element analysis