基于有限元的風力發(fā)電機底盤故障分析及改善方案

黃文怡，梁波，孫傳宗

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶 163319；2.大慶 龍江風電有限責任公司；3.沈陽工業(yè)大學）

風能是現(xiàn)今社會較為重要的一種可再生綠色能源，對于改善能源問題起著良好的作用。風力發(fā)電機組是風電場的重要設(shè)備，底盤、軸承座、偏航軸承齒輪等主要承載機構(gòu)由于長期在極端載荷或循環(huán)載荷作用下，容易導(dǎo)致極限破壞、疲勞破壞等安全隱患。因此，對其進行故障分析及改善研究有著重要的意義[1]。

1 風力發(fā)電機組底盤故障分析

經(jīng)由對1.5 MW 電變槳距型風力發(fā)電機組，檢查了底盤，軸承座，偏航軸承齒輪等主要承力部件油漆表面和本體的外觀，研究探討了該機組出現(xiàn)故障破壞的原因，發(fā)現(xiàn)了機組主要承力部件可能存在的安全隱患。

經(jīng)檢查可以看到：

（1）輪轂油漆表面外觀完好，葉根凸臺和與主軸連接凸臺等易發(fā)生應(yīng)力集中位置處未見明顯裂紋；

（2）主軸油漆表面較好，本體表面外觀完好，前端大圓角處表面光滑，過渡均勻；

（3）底盤主體油漆表面外觀較好，與軸承座接觸表面未見明顯滑動；

（4）偏航軸承齒輪伴有至少4 個輪齒斷裂，最大斷裂部分達到一半齒厚，斷裂面外表粗糙，手觸如碎沙劃痕感。

該機組除底盤與軸承座連接區(qū)域外，其他主要承力部件油漆表面和本體外觀較好，初步判斷其受力狀態(tài)較好。油漆表面出現(xiàn)明顯裂紋的底盤與軸承座連接區(qū)域，初步判定為外載荷較大，該區(qū)域剛度梯度較大導(dǎo)致，維持現(xiàn)狀使用存在疲勞或瞬間斷裂風險。

圖1 底盤與軸承座連接附近變壁厚處照片F(xiàn)ig.1 Picture of chassis and bearing seat connection near thickness

2 更改螺栓分布方案分析

更改螺栓分布方案的校驗分析基于有限元軟件，采用全模型結(jié)合子模型方法提取底盤危險區(qū)域的應(yīng)力水平，利用多軸疲勞算法和雙線性應(yīng)力特征提取方法對1.5 MW 機組底盤局部危險區(qū)域進行疲勞壽命校驗。

2.1 結(jié)構(gòu)簡介

為降低底盤局部危險區(qū)域應(yīng)力峰值，提高該區(qū)域疲勞壽命，采用釋放順風向最后一排螺栓的修改方案，以利于降低危險區(qū)域的剛度梯度，提高強度，同時將順風向最前端外側(cè)螺栓更改為彈性銷，目的是提高軸承座與底盤接觸面的抗剪能力。更改方案圖例見圖2。

圖2 修改方案圖例Fig.2 Legend of the modified project

2.2 有限元模型

底盤的有限元全模型包括：底盤，軸承座，齒輪箱支座，偏航軸承及塔架、墊圈三維模型，其中底盤、軸承座、齒輪箱支座、偏航及塔架、墊圈均采用10 節(jié)點4 面體單元分網(wǎng)。主軸、齒輪箱假體以及連接螺栓和彈性銷采用2 節(jié)點梁單元建模。底盤與軸承座之間采用標準3 組M36 螺栓建立連接，底盤與偏航軸承以及底盤與齒輪箱支座之間采用共節(jié)點綁定約束建立連接。主軸與軸承座采用MPC 約束建立連接。輪轂中心處建立節(jié)點，該節(jié)點與主軸前端節(jié)點通過2節(jié)點梁單元建立連接，截面直徑以輪轂直徑計。有限元模型見圖3。單元類型及材料牌號見表1，各部件連接方式見表2。

子結(jié)構(gòu)的有限元模型：根據(jù)底盤受力狀態(tài)確定底盤與軸承座連接區(qū)域后端為重點校驗區(qū)域，子結(jié)構(gòu)有限元模型見圖4。有限元采用10 節(jié)點4 面體分網(wǎng)。

圖3 底盤有限元模型及載荷約束Fig.3 Finite element model and load constraint for chassis

圖4 子結(jié)構(gòu)有限元模型及載荷約束Fig.4 Finite element model and load constraint for substructure

2.3 邊界條件設(shè)置

載荷邊界：采用有限元方法計算底盤的疲勞強度，為引入螺栓連接非線性因素，以正、負雙線性加載方法計算準靜態(tài)應(yīng)力值，加載位置如圖3 所示，加載值見表3。各個工況分析分兩個子步完成，第一子步執(zhí)行預(yù)緊力分析，第二子步執(zhí)行包含外載荷邊界的靜強度分析。

位移邊界：選擇塔筒假體下端截面節(jié)點進行全位移約束，如圖3 所示。

坐標系：與輪轂中心載荷數(shù)據(jù)引用的坐標系相同。

表1 單元類型及材料牌號Table 1 Unit types and materials

表2 部件連接方式Table 2 Attended mode of parts

表3 載荷數(shù)值表Table 3 Numerical table of load

2.4 材料性能

分析涉及的材料機械性能如表4 所示。

表4 材料機械性能Table 4 Mechanical performance of material

2.5 計算方法

分析中選用牛頓-拉夫遜迭代算法，自適應(yīng)增量步長進行求解計算。

3 疲勞強度計算

3.1 計算S/N 曲線數(shù)據(jù)

底盤的合成S/N 曲線數(shù)據(jù)見表5。

表5 合成S/N 曲線數(shù)據(jù)Table 5 Synthesis of S/N curve data

3.2 載荷歷程

為引入螺栓連接非線性特點，疲勞分析中將載荷時間歷程分解為正、負兩種子歷程，與準靜態(tài)有限元分析結(jié)果組合應(yīng)用。分解圖例見圖5。

圖5 時間歷程分解圖例Fig.5 Decomposition of illustrations to time process

3.3 疲勞分析設(shè)置

依次將多組準靜態(tài)分析結(jié)果，S/N 曲線數(shù)據(jù)，載荷時間歷程及工況頻率數(shù)據(jù)導(dǎo)入至疲勞分析軟件中，并匹配相應(yīng)載荷歷程與準靜態(tài)有限元結(jié)果完成導(dǎo)入操作。疲勞分析以最大主應(yīng)力作為計算應(yīng)力，采用帶有Goodman 平均應(yīng)力修正的多軸關(guān)鍵平面法執(zhí)行底盤疲勞強度校核?？紤]分析結(jié)果的經(jīng)濟性和有效性，選取準靜態(tài)分析中呈現(xiàn)高應(yīng)力狀態(tài)的局部區(qū)域和主要的圓角特征作為本次分析的重點校核區(qū)域。

3.4 疲勞計算結(jié)果

由疲勞計算軟件得到的底盤疲勞壽命為83.8年，底盤疲勞壽命（對數(shù)壽命）分布云圖見圖6。

根據(jù)要求，底盤在設(shè)計年限內(nèi)由疲勞載荷引起的總損傷度須小于1，即：

D＜1

式中：D—結(jié)構(gòu)件總的疲勞損傷度

由計算結(jié)果得到：在設(shè)計疲勞工況載荷作用下，底盤的最大損傷度為0.238，小于1。

綜上所述，采用分布螺栓修改方案的底盤滿足疲勞強度設(shè)計要求。

4 結(jié)論

在風力發(fā)電機組中底盤、軸承座、偏航軸承齒輪等主要承力部件是其重要的組成部分，比較容易產(chǎn)生疲勞破壞。對于由底盤局部危險區(qū)域附近的剛度變化過大，在極端載荷或者循環(huán)載荷作用下導(dǎo)致了極限破壞、疲勞破壞或者組合形式的破壞，提出了更改螺栓方案來解決這個問題，經(jīng)疲勞強度計算該方案滿足疲勞強度設(shè)計要求。

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