兩種軸承仿真方式對風(fēng)機(jī)主機(jī)架計(jì)算的影響

陳 明

(華銳風(fēng)電科技(集團(tuán))股份有限公司，北京 100086)

0 前言

能源的供給無疑是人類本世紀(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)之一，而風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，全球風(fēng)資源豐富，其中我國風(fēng)電技術(shù)可開發(fā)量約5 500 GW。隨著我國對環(huán)境保護(hù)、能源短缺等問題的日益關(guān)注，尤其是全國霧霾問題的越來越突出，風(fēng)電行業(yè)受到國家越來越多的關(guān)注和政策支持。對于大型機(jī)組，其質(zhì)量的可靠性與成本的最低化顯得尤為重要，這也對風(fēng)機(jī)部件的有限元計(jì)算提出了更高要求[1]。

主機(jī)架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最關(guān)鍵和承載最復(fù)雜的部件之一，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證風(fēng)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對類似的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件，有限元法越來越多地應(yīng)用于風(fēng)機(jī)部件強(qiáng)度分析中[2]。風(fēng)電機(jī)組中的大部件損壞，很多部件都是與主機(jī)架連接的部件，如齒輪箱箱體、主軸承、力矩臂等，而這些部件的損傷，也是和主機(jī)架的安全性穩(wěn)定性所相輔相成的，這也更說明了主機(jī)架安全穩(wěn)定的重要性。

1 軸承對主機(jī)架計(jì)算分析的影響

風(fēng)電機(jī)組的主軸，其功能是將扭矩載荷傳遞給齒輪箱以及發(fā)電機(jī)，將其他載荷傳遞給支撐結(jié)構(gòu)主機(jī)架[3]。在實(shí)際風(fēng)機(jī)故障中，主軸承損壞主要為滾子破損或保持架損壞，而對于主軸承損壞嚴(yán)重的情形下，主機(jī)架軸承安裝位置都不可避免的造成一定程度的損傷，甚至于需要重新返廠維修整機(jī)。在設(shè)計(jì)和選用軸承的過程中，需要對軸承的性能和壽命進(jìn)行分析，以便及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)，合理選型，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性，避免失效，降低成本。

本文討論的軸承結(jié)構(gòu)主要是雙排滾子軸承支撐結(jié)構(gòu)。主軸承的結(jié)構(gòu)形式以及與主機(jī)架的安裝配合形式如圖1所示。軸承為內(nèi)外兩環(huán)，內(nèi)部滾子為帶錐度的近圓柱體，內(nèi)外兩環(huán)之間設(shè)有保持架結(jié)構(gòu)，主要為了保持滾子能均勻勻速滾動(dòng)。圖2 為主軸承3D結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 主軸承結(jié)構(gòu)圖

圖2 主軸承3D結(jié)構(gòu)圖

2 主機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

本文采用三維有限元計(jì)算方法，按主機(jī)架的實(shí)際幾何特征建立模型。以便計(jì)算所得的結(jié)果能較好反映實(shí)際問題，并能更詳細(xì)和準(zhǔn)確地反映真實(shí)應(yīng)力的分布，得到不同位置的應(yīng)力，從而為主機(jī)架的強(qiáng)度校核及改進(jìn)主機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

主機(jī)架材料一般是球墨鑄鐵，鑄造結(jié)構(gòu)。采用三維軟件建立主機(jī)架的CAD模型，并在ANSYS模塊中進(jìn)行有限元計(jì)算。使用的載荷是輪轂中心固定坐標(biāo)系載荷，主機(jī)架有限元計(jì)算模型有必要對連接過渡段和主機(jī)架的主軸承進(jìn)行建模。而在建模計(jì)算過程中分析發(fā)現(xiàn)，軸承建模方式的不同對主機(jī)架的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果有較大的影響，不同的工況相差5%至15%不等。

圖3中為了更好的展示三者連接的結(jié)構(gòu)形式，主機(jī)架和主軸承都被隱藏了一半。軸承被簡化成僅有內(nèi)外圈，軸承內(nèi)的滾子使用ansys軟件的link180單元進(jìn)行模擬，由于軸承滾子在軸承內(nèi)始終處于受壓狀態(tài)而不承受任何的拉力，所以單元承載屬性被定義為只受壓不受拉的狀態(tài)。

圖3 主軸承結(jié)構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)

3 雙列圓錐滾子軸承的不同模擬方法影響分析

在有限元計(jì)算中，圓錐滾子軸承的模擬通常采用簡化滾子的方式，即保持軸承內(nèi)圈的構(gòu)造，將滾子用幾根受壓不受拉的桿單元替代，同時(shí)軸承內(nèi)外圈采用 solid187 單元，簡化模擬出了軸承只傳遞壓力的特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外風(fēng)電廠家基本使用的這種建模方式建立軸承模型用于主機(jī)架的強(qiáng)度計(jì)算分析。

對模型加載彎矩載荷，并提取出模擬軸承滾子的link180桿單元的受力狀態(tài)云圖，如圖5和圖6所示。

圖5 桿單元受壓狀態(tài)云圖

圖6 受力最大的桿單元應(yīng)力云圖

由圖5可以看出，雙排軸承受到彎矩作用時(shí)，每排軸承不是所有的滾子都受力且受到較大壓力的滾子數(shù)量只有約十幾個(gè)左右受力較大(本計(jì)算每排共有滾子104個(gè))。同時(shí)可以看出，雙排滾子的受力區(qū)域是相互對應(yīng)的，及內(nèi)圈上半部分主要受力時(shí)，外圈下半部分主要受力，左右方向亦是如此。由圖6可以看出，用四個(gè)桿單元模擬的軸承滾子，只有最邊緣的第一和第二根桿單元受壓力，并且第一根桿單元承受了60%以上的載荷。依據(jù)軸承廠家對主軸承的滾子進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果認(rèn)為滾子在10 GPa以下的彎矩載荷作用下，軸承滾子表面的受力應(yīng)該是基本均勻的，即四根桿單元所受的壓力相差百分比應(yīng)該不大。而且軸承滾子安裝時(shí)會(huì)有較大的預(yù)緊力，能到幾百千牛，滾子與內(nèi)外圈的接觸壓強(qiáng)能為1 500～2 000 MPa。所以，軸承在受到較大的彎矩狀態(tài)下，滾子與內(nèi)外圈之間應(yīng)該保持緊壓狀態(tài)，不會(huì)脫開。

結(jié)合國內(nèi)外的計(jì)算方法和軸承滾子的實(shí)際接觸情況，本文把計(jì)算模型進(jìn)行了改進(jìn)，將模擬軸承滾子的四個(gè)桿單元的兩端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了自由度耦合，即每四個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次耦合，以便使模擬軸承滾子的表面的四個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立起聯(lián)系。在風(fēng)電行業(yè)的軸承計(jì)算中，這種軸承滾子模擬方法尚屬首次。計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖7 桿單元受壓狀態(tài)云圖

圖8 受力最大的桿單元應(yīng)力云圖

對比圖5和圖7可以看出，圖7中有更多的桿單元受到了壓力。而從圖8可以看出，受力最大的外側(cè)桿單元所受的壓力已經(jīng)減少了一半左右，原來不受力的第三根桿單元也承受了10～15 MPa的壓力。改進(jìn)后的模型，軸承滾子的受力范圍在軸承的軸向和周向都有增加。雖然依然是最外側(cè)的桿單元受力較大，但是整體看來，軸承滾子的受力情況趨于更均勻化了。軸承廠家在對軸承進(jìn)行計(jì)算時(shí)，滾子表面的受力情況是按照均勻分布是計(jì)算的，這種方法的計(jì)算也更貼合軸承廠家的計(jì)算結(jié)果。

4 不同軸承模擬方法對主機(jī)架計(jì)算的影響

圖9為兩種不同軸承模擬方法的主機(jī)架計(jì)算應(yīng)力結(jié)果。由圖9可以看出，兩個(gè)應(yīng)力結(jié)果存在明顯的區(qū)別，使用沒有聯(lián)系的桿單元計(jì)算出來的主機(jī)架應(yīng)力值要大于使用有聯(lián)系的桿單元的計(jì)算結(jié)果。出現(xiàn)這種情況的主要原因是：由于主機(jī)架前端軸承安裝位置的整體剛度存在著巨大的差別，同時(shí)載荷在向主機(jī)架后端傳導(dǎo)時(shí)的作用方式也存在差別。后者的作用方式，是在主機(jī)架前端圓環(huán)面端建立了相互聯(lián)系，向后端傳導(dǎo)載荷時(shí)也更均布一些，所以應(yīng)力分布也更均勻一些。

圖9 不同軸承模擬方法的主機(jī)架計(jì)算應(yīng)力結(jié)果

5 結(jié)束語

(1)主機(jī)架是風(fēng)電機(jī)組的重要部件，必須保證主機(jī)架設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的安全，而計(jì)算結(jié)果可靠度與軸承建模密切相關(guān)。

(2)對雙排滾子軸承進(jìn)行模擬時(shí)，使用link180受壓不受拉的桿單元模擬軸承滾子是可靠的，但是桿單元之間應(yīng)建立聯(lián)系，以便更真實(shí)的模擬滾子表面均勻受力的情況。

(3)使用沒有聯(lián)系的桿單元模擬軸承滾子，主機(jī)架的計(jì)算結(jié)果會(huì)造成部分失真，影響對主機(jī)架強(qiáng)度的判斷。

(4)使用該計(jì)算模擬方法，可以真實(shí)模擬主機(jī)架的受力情況，從而減輕主機(jī)架重量約20%，可以節(jié)約風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)成本，提高風(fēng)機(jī)的競爭力。

(5)風(fēng)電作為清潔能源，生產(chǎn)過程卻對環(huán)境產(chǎn)生污染，優(yōu)化風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)能使得風(fēng)電行業(yè)更好的節(jié)約資源，更好的保護(hù)環(huán)境，對整個(gè)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展也有積極的引領(lǐng)作用。

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