GAP單元在風(fēng)電機(jī)組偏航軸承建模上的應(yīng)用

黃文　蘭洋　李騰飛　戴曉亮

摘 要：針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航軸承結(jié)構(gòu)與受力的復(fù)雜性，提出了一種新的偏航軸承簡化建模方法。簡要闡述了某MW級風(fēng)電機(jī)組偏航軸承內(nèi)圈與主機(jī)架連接螺栓、外圈與塔筒連接螺栓的強(qiáng)度，分析模型利用GAP單元模擬偏航軸承滾珠與內(nèi)外圈之間的接觸來實(shí)現(xiàn)力的傳遞。結(jié)果表明，GAP單元可以有效模擬軸承實(shí)際受力和力的傳遞，為偏航軸承建模提供一種有效的簡化方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；GAP單元；偏航軸承；有限元

中圖分類號：TM315；TH133.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.016

軸承是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部件，主要包括主軸軸承、變槳軸承、偏航軸承、發(fā)電機(jī)軸承和齒輪箱軸承。其中，偏航軸承通過螺栓分別與主機(jī)架和塔筒連接，維持偏航系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，對整個機(jī)組的受力特性、穩(wěn)定性、震動和噪聲等都起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)風(fēng)向改變時，偏航軸承旋轉(zhuǎn)使風(fēng)輪正對風(fēng)向，以捕獲更多的風(fēng)能。

偏航軸承是四點(diǎn)接觸球軸承，尺寸龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)計(jì)算與偏航軸承相連零部件的強(qiáng)度時，如果對偏航軸承采用實(shí)體建模，計(jì)算量比較大，且計(jì)算過程不易收斂。這就需要尋求一種簡化偏航軸承的有效方法，既能提高計(jì)算效率，同時，又不影響與之相連零部件的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

文章利用有限元分析軟件MSC.Marc/Mentat中的GAP單元代替滾動體，利用模擬滾動體與內(nèi)外圈之間的接觸特性來實(shí)現(xiàn)偏航軸承的簡化和力的傳遞。同時，要對模型進(jìn)行加載，計(jì)算軸承內(nèi)外圈連接螺栓的強(qiáng)度。計(jì)算出的強(qiáng)度結(jié)果比較理想，可以為后期偏航軸承建模提供一種新的思路。

1 GAP單元的屬性特征

1.1 GAP單元的模式

GAP單元有3種模式：真實(shí)距離模式，用于幾何非線性分析；方向固定模式，用于接觸體不穿透給定平面的線性或非線性幾何分析中；第三種模式通過用戶子程序GAPU中指定閉合距離和間隙方向，間隙方向和距離可在分析過程中被更新，以模擬沿曲面的滑動。

1.2 GAP單元特性描述

假設(shè)GAP單元由A，B兩點(diǎn)組成，A，B為內(nèi)外圈與滾動體接觸的對應(yīng)節(jié)點(diǎn)對，A，B兩點(diǎn)之間的初始間隙設(shè)為滾動體的直徑Dw。在外力作用下，GAP單元的載荷-位移關(guān)系可用接觸面的法向分量和切向分量來描述。在未接觸區(qū)，它不影響分析對象的運(yùn)動狀態(tài)；在接觸區(qū)域，GAP單元的法向剛度將變得足夠大，以阻止接觸體相互侵入。

當(dāng)點(diǎn)對的相對位移小于初始間隙時，表明接觸表面處于接觸狀態(tài)，GAP單元的法線方向就會存在法向力Fn，且法向力為負(fù)值。此時，GAP單元猶如一個線性彈簧，其法向接觸剛度為KA，內(nèi)外圈就會通過GAP單元在A，B兩點(diǎn)之間傳遞載荷；否則相對位移大于初始間隙時，接觸點(diǎn)對分離，接觸表面為未接觸狀態(tài)，法向力Fn值為零，GAP單元不受力也不傳遞載荷，不會影響分析對象的運(yùn)動狀態(tài)。

在切向方向，當(dāng)法向力Fn<0且切向力Ft≤μFn（μ為接觸面間摩擦系數(shù)）時，接觸面保持接觸且無相對滑動；當(dāng)Fn<0且Ft>μFn時，接觸面間將產(chǎn)生相對滑動。

2 偏航軸承連接部件的有限元建模

2.1 偏航系統(tǒng)計(jì)算各部套連接三維模型

在Pro/E中建立偏航系統(tǒng)計(jì)算各部套的三維模型，主要包含定子、主機(jī)架、偏航軸承、剎車盤和塔筒，省略了偏航軸承中保持架的作用。螺栓將在后面的有限元模型中建立，如圖1所示。主機(jī)架通過螺栓84-M30與偏航軸承內(nèi)圈連接，螺紋嚙合長度為45 mm；塔筒與剎車盤也通過螺栓84-M30與偏航軸承外圈連接，螺紋嚙合長度為55 mm。

2.2 有限元模型

風(fēng)力機(jī)偏航軸承是四點(diǎn)接觸球軸承，在受載過程中，載荷傳遞路線經(jīng)過3個關(guān)鍵點(diǎn)，即滾珠與外圈接觸點(diǎn)、滾珠中心點(diǎn)以及滾珠與內(nèi)圈接觸點(diǎn)，載荷是以直線的形式傳遞的，如圖2所示。

根據(jù)四點(diǎn)接觸球軸承的傳力特點(diǎn)，采用GAP單元代替滾動體模擬軸承內(nèi)外圈的接觸和力的傳遞。GAP單元采用真實(shí)距離模式，在接觸體之間建立接觸點(diǎn)對，不考慮滾子變形，將GAP單元設(shè)置為剛體。初始接觸點(diǎn)處的GAP單元設(shè)置為初始接觸，其余GAP單元初始設(shè)置為非接觸，GAP單元長度為滾子直徑。模型中，GAP單元過多就不易收斂，此例中滾動體與內(nèi)外圈接觸的點(diǎn)對有14對，所以，采用14個GAP單元代替一個滾動體進(jìn)行接觸應(yīng)力分析，所得模型收斂性好。

在有限元分析軟件MSC.Marc/Mentat中建立有限元模型，模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體7號單元劃分，單元大小為10～30 mm，單元數(shù)總共112 902個，如圖3和圖4所示。

3 計(jì)算模型的接觸設(shè)置

模型中只需設(shè)置7個可變形接觸體，包括主機(jī)架（main_con）、偏航軸承內(nèi)圈（ph_in）、內(nèi)圈上螺栓（ph_in_bolt）、偏航軸承外圈（ph_out）、剎車盤（brake）、塔筒（tower）和外圈上螺栓（ph_out_bolt）。內(nèi)圈與主機(jī)架的接觸面、內(nèi)圈上螺栓與內(nèi)圈的接觸面、外圈上螺栓與外圈的接觸面、剎車器與外圈的接觸面、剎車器與塔筒的接觸面均設(shè)置為touching，摩擦系數(shù)取0.15.

這里主要分析偏航軸承及其連接螺栓的強(qiáng)度，因?yàn)镚AP單元對其影響最為顯著。不考慮定子與主機(jī)架連接螺栓，將定子與主機(jī)架接觸面通過粘接（Glue）關(guān)系來耦合。

內(nèi)圈螺栓與偏航軸承內(nèi)圈在螺紋聯(lián)接處有45 mm的螺紋嚙合，外圈螺栓與偏航軸承外圈在螺紋聯(lián)接處有55 mm的螺紋嚙合，螺紋嚙合部位通過粘接（Glue）關(guān)系來耦合兩部分的自由度，以模擬螺紋聯(lián)接。

4 模型的邊界條件及載荷施加

邊界條件設(shè)置為：約束塔筒底部6個方向的自由度，約束軸承內(nèi)圈繞其軸向的轉(zhuǎn)動自由度，約束螺栓接觸體的徑向位移自由度（消除計(jì)算中多余的剛體位移），鎖定螺栓軸向位移（預(yù)緊過后鎖定螺栓長度）。在輪轂中心點(diǎn)處建立一MPC點(diǎn)與定子外表面相連，將輪轂中心處載荷添加到MPC點(diǎn)上，如圖5所示。

分析過程按2個工況進(jìn)行，第一個工況中給所有螺栓施加預(yù)緊力，預(yù)緊力取350 kN，建立各部件間的接觸關(guān)系；第二個工況中施加輪轂中心處的極限載荷（由BLADED軟件計(jì)算得到，共16種工況載荷），求得各螺栓的強(qiáng)度。

5 有限元分析結(jié)果

5.1 螺栓與偏航軸承應(yīng)力結(jié)果

采用MSC.Marc2005r2求解器計(jì)算各極限工況下螺栓與偏航軸承的應(yīng)力結(jié)果。其中，最大工況下的應(yīng)力云圖如圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示。

由應(yīng)力結(jié)果可知，偏航軸承內(nèi)圈連接螺栓在輪轂極限載荷下的最大應(yīng)力值為574.5 MPa，偏航軸承外圈連接螺栓在輪轂極限載荷下的最大應(yīng)力值為575.4 MPa，偏航軸承在輪轂極限載荷下的最大應(yīng)力值為597.6 MPa。

5.2 螺栓與偏航軸承安全裕度計(jì)算

因螺栓與偏航軸承的屈服極限分別為900 MPa和930 MPa，所以，可計(jì)算出內(nèi)圈螺栓的安全裕度為0.424，外圈螺栓的安全裕度為0.422，偏航軸承的安全裕度為0.415.

螺栓和偏航軸承的安全裕度均大于零，說明零件強(qiáng)度滿足要求。

6 結(jié)論

文章考慮偏航軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和接觸方式，采用GAP單元模擬滾珠來簡化偏航軸承。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際受力情況對模型進(jìn)行加載計(jì)算，得出螺栓與偏航軸承的應(yīng)力結(jié)果。結(jié)果顯示，螺栓強(qiáng)度滿足要求，與實(shí)際情況相符。GAP單元對偏航軸承的簡化建?？梢杂行У啬M軸承的實(shí)際受力和力的傳遞，為風(fēng)電機(jī)組偏航軸承建模提供一種新的簡化方法。

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〔編輯：白潔〕