風(fēng)電制動器主體結(jié)構(gòu)有限元分析

尚振國，蔡衛(wèi)國

（大連海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，遼寧 大連116023）

圖1所示為某1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機用盤式制動器，其工作原理是用底座將制動器整體固定于機架上。制動時首先打開放油口將碟簧施力機構(gòu)內(nèi)的液壓油放出，碟簧彈開驅(qū)動主動支架上的制動片壓緊制動盤，制動盤安裝于增速齒輪箱輸出軸上，從而實現(xiàn)整臺風(fēng)機制動停車。其主體結(jié)構(gòu)包括主動支架、被動支架、空心軸及底座。由于制動力較大，主體零件結(jié)構(gòu)又較復(fù)雜，可能會產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，為保證安全有必要對其主體結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

圖1　風(fēng)電盤式制動器

1　材料屬性

制動器主體零件材料屬性見表1.

表1　材料屬性

2　有限元模型

2.1　邊界條件

對制動器施加的邊界條件包括位移約束邊界條件、接觸邊界條件和載荷邊界條件，如圖2所示。

該制動器通過底座底面進行安裝、固定，因此對該底面施加全約束，如圖2所示。

圖2　有限元模型邊界條件及網(wǎng)格劃分

由于空心軸與被動支架的軸孔采用間隙配合，兩者間定義為柔體-柔體接觸，空心軸面為目標(biāo)面，被動支架軸孔面為接觸面。底座與空心軸采用過盈配合，兩者間也定義為柔體-柔體接觸，空心軸面為目標(biāo)面，被動支架軸孔面為接觸面。這樣共定義4個接觸對，如圖2所示。

制動器制動時碟簧產(chǎn)生的最大彈性力為98 500 N，即制動時被動支架和主動支架所受制動盤的正壓力為F＝98 500 N，分別作用在主動支架與端蓋相聯(lián)的螺紋面上、被動支架與摩擦塊相接觸的凸臺表面上（圖2中虛線箭頭所示），制動盤與摩擦塊之間產(chǎn)生的摩擦力作用在被動支架、主動支架側(cè)邊螺栓孔上，最大摩擦力：

Ff=F×μ=98 500×0.38＝37 430 N

式中：μ為制動盤與摩擦塊之間的摩擦系數(shù)，μ＝3.8；F為摩擦塊與制動盤之間的壓力，F(xiàn)＝98 500 N；Ff為摩擦塊與制動盤間產(chǎn)生的摩擦力。

摩擦力由4個螺紋孔承擔(dān)，每個孔加載18 715 N，如圖2所示。

2.2　單元類型及網(wǎng)格劃分

實體單元：采用實體單元Solid45對制動器進行網(wǎng)格劃分，Solid45單元有8個節(jié)點，每個節(jié)點有3個平移自由度UX、UY、UZ，共生成357 348個單元，116 176個節(jié)點，如圖2所示。

為了準(zhǔn)確反映主動支架和被動支架在危險截面的應(yīng)力狀況，再按指定單元長度對危險截面部位進行網(wǎng)格局部細(xì)化，如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格細(xì)化

接觸單元：目標(biāo)單元采用Target170，接觸單元采用Conta174.空心軸與被動支架配合段圓柱面生成32 283個Target170單元，被動支架兩孔面生成25 857個Conta174單元；空心軸與底座孔配合段生成16 993個Conta174單元，底座孔面生成180 803個Target170單元。

3　結(jié)果分析

計算結(jié)果如表2所示。

表2　計算結(jié)果

圖4為主動支架應(yīng)力云圖，圖中圓弧區(qū)域應(yīng)力最大，即為前述危險截面處。圖5為主動支架變形云圖。

圖4　主動支架應(yīng)力云圖

圖5　主動支架變形云圖

計算結(jié)果表明主體零件強度安全裕量較為充足，但主動支架、被動支架彎曲變形較大，剛度不足，建議局部增設(shè)加強筋或增加厚度。

4　結(jié)束語

建立某型風(fēng)電盤式制動器整體有限元分析模型，通過對底座施加全約束，在空心軸與被動支架的軸孔間定義接觸約束，在主動支架和被動支架上施加碟簧力和摩擦力，采用實體單元和接觸單元進行網(wǎng)格劃分，并對預(yù)估的危險界面處進行網(wǎng)格局部細(xì)化，得到制動器內(nèi)部應(yīng)力分布及變形分布規(guī)律，為改進制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了必要的依據(jù)。