大型風電機組主軸承仿真方法的改進

陳明，王倩 ，李力森

(1.華銳風電科技(集團)股份有限公司，北京 100086；2.上海綠色環(huán)保能源有限公司，上海 200433)

隨風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，深遠海風力發(fā)電已成為風電行業(yè)的主要發(fā)展方向。深遠海作業(yè)施工困難且后期維護成本高，對風電機組整體可靠性提出了較高的要求。軸承作為風電機組中傳遞載荷、偏航對風的重要零部件，其可靠性尤為重要。風力發(fā)電機組用軸承主要有傳遞載荷的主軸承、用于偏航對風的偏航軸承和葉片根部的變槳軸承。主軸承是風力發(fā)電機組中最關(guān)鍵及承載最復(fù)雜的零部件之一，其可靠性和穩(wěn)定性是保證風電機組長期穩(wěn)定運行(不少于20年)的關(guān)鍵因素。針對需要應(yīng)對惡劣工況、高可靠性、長壽命以及經(jīng)濟性的要求，主軸承設(shè)計技術(shù)復(fù)雜，而相關(guān)風電應(yīng)用技術(shù)發(fā)展時間短，對風電主軸承的研究相對較少，故有必要建立模型對軸承運行過程中的載荷分布情況進行分析[1-5]。

1 風電機組主軸承結(jié)構(gòu)

風電機組主軸承結(jié)構(gòu)主要有雙排滾子、雙排球、調(diào)心滾子等，關(guān)于風電軸承仿真計算的研究較少。在此以某3 MW風電機組用雙列圓錐滾子軸承為例進行仿真分析。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：外徑為2 670 mm，內(nèi)徑為2 200 mm，寬度為340 mm，滾子個數(shù)為192，滾子直徑為67.8 mm，滾子長度為108 mm。主軸承安裝位置示意圖如圖1所示，主軸承內(nèi)外圈分別與風電機組的主機架和過渡段連接。

1—主軸承；2—齒輪箱凸緣；3—過渡段；4—主機架；5—葉輪鎖緊環(huán)；6—齒輪箱伸出軸

2 傳統(tǒng)仿真方法

國內(nèi)外對大型風電機組主軸承的仿真方法主要有2種：1)使用鉸接(joint)單元模擬軸承滾子使內(nèi)外圈建立聯(lián)系，該模型設(shè)置簡單，計算易收斂，適用于簡單快速且對結(jié)果要求較低的計算;2)使用桿單元模擬滾子,模型保留軸承內(nèi)外圈，該模型計算速度快，可分析滾子受力情況，但模型收斂性較差。采用桿單元也是目前業(yè)界內(nèi)較為普遍的仿真方法[6-8]。

2.1 建模

以桿單元模擬為例建立模型，該模型中包括輪轂、主機架、主軸承、偏航軸承、過渡段、部分塔筒等部件。其三維模型如圖2所示。采用桿單元模擬滾子，每個滾子用4根桿單元模擬，8根為一排，桿單元共768根，如圖3所示。

圖2 三維模型

圖3 桿單元模擬滾子示意圖

內(nèi)圈與過渡段、外圈與主機架、過渡段與輪轂以及偏航軸承與塔筒頂部之間均為綁定接觸，接觸單元為CONTA170與TRRGE170單元。內(nèi)外圈之間建立桿單元模擬軸承滾子，采用LINK180單元，考慮到滾子只承受壓應(yīng)力，桿單元接觸屬性設(shè)置為只承壓不承拉，以便模擬滾子與內(nèi)外圈之間可能出現(xiàn)的分離情況。內(nèi)外圈與過渡段、偏航軸承與塔筒頂部采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分，主機架以及其他附屬零部件采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分。因整個模型網(wǎng)格數(shù)目較多，為便于觀察只顯示了關(guān)鍵部件的網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

模型中主機架和過渡段材料均為QT400鑄造件，其他結(jié)構(gòu)及附屬部件材料為結(jié)構(gòu)鋼Q345，軸承內(nèi)外圈材料為軸承鋼GCr15，材料參數(shù)見表1。桿單元截面積根據(jù)滾子剛度計算，當模擬軸承滾子桿單元剛性足夠大時計算結(jié)果會趨于穩(wěn)定，在此所用計算模型桿單元截面積為200 mm2。模型塔筒底部為全約束，載荷施加于輪轂中心，載荷參數(shù)見表2，坐標系方向如圖2所示。所用模型完成了網(wǎng)格無關(guān)性和步長獨立性驗證。

表1 材料參數(shù)

表2 載荷參數(shù)

2.2 仿真分析

對軸承桿單元應(yīng)力進行分析，在軸承受到表2所示載荷作用時，桿單元受壓狀態(tài)云圖如圖5所示，將承受最大壓應(yīng)力的相同切面的2排滾子模擬桿單元提取出來，其桿單元應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖可以看出：模擬滾子的4根桿單元受力情況差別很大，第1,2根桿單元幾乎承受了所有壓力，第1根桿單元承受了60%以上應(yīng)力，而第3,4根桿單元不承受或僅承受極小的應(yīng)力。

圖5 傳統(tǒng)模型桿單元受壓狀態(tài)云圖

圖6 傳統(tǒng)模型桿單元應(yīng)力云圖

軸承廠家使用專有軟件對該類型軸承的滾子進行受力分析時，軸承在彎矩載荷小于1×1010N·mm(該載荷可覆蓋4 MW以下多數(shù)風機的彎矩載荷)作用下滾子表面所受壓力情況趨于均勻， 4根桿單元所受壓應(yīng)力依次減小但相差不大。通過部分受損風電機組軸承的拆解圖也可以看出：滾子表面磨損相對均勻，極少發(fā)現(xiàn)一端磨損嚴重一端相對完好的滾子。桿單元模擬軸承計算其滾子的受力與實際情況顯然不符。若采用該方法對風機組主要結(jié)構(gòu)零部件進行有限元分析，計算結(jié)果不準確，故有必要對模擬方法進行改進。

3 改進方法

桿單元建模方式的主要改進是：將模擬滾子4根桿單元兩端節(jié)點進行自由度耦合，對于雙排圓錐滾子軸承，其主要承受y向和z向(坐標系方向如圖2所示)的彎矩載荷，故對y，z向力矩自由度方向進行耦合。模擬一個滾子的4根桿單元的上下4個節(jié)點分別進行耦合，以便使模擬滾子表面的4個節(jié)點之間建立聯(lián)系，形成一個橫著的目字結(jié)構(gòu)。

在相同工況下采用改進后模型對軸承進行分析,桿單元受壓狀態(tài)圖如圖7所示,與改進前模型相比：圖7中受壓桿單元明顯增多，說明滾子在周向方向上傳遞載荷更均勻。桿單元應(yīng)力云圖如圖8所示，與改進前模型相比：受力最大的邊緣桿單元所受應(yīng)力減少了一半，圖6中基本不受力的第3根桿單元也承受了10～15 MPa的應(yīng)力。改進后的模型滾子的受力范圍在軸向和周向都有增加，滾子受力情況趨于更均勻，分析結(jié)果更接近于實際情況。

圖7 改進模型桿單元受壓狀態(tài)云圖

圖8 改進模型桿單元應(yīng)力云圖

雙排圓錐滾子軸承僅半圈滾子受壓，故僅半圈桿單元受壓力，將受壓的桿單元每隔一組提取其受力最大桿單元所受應(yīng)力，改進前后桿單元受力情況如圖9所示。由圖9可以看出：2種方式桿單元的應(yīng)力曲線整體趨勢基本一致，但改進單元的應(yīng)力曲線除了數(shù)值相對較小外，曲線更平滑，受力較大桿單元數(shù)量接近一半且受壓較為均勻，在40～46 MPa之間。改進單元承受的應(yīng)力總和并未減小，圖8中之所以數(shù)值整體比應(yīng)力值總和少了近一半，是因為圖8中數(shù)值是一組桿單元中應(yīng)力最大的桿單元承受的應(yīng)力，每組單元中的非最大值單元所受應(yīng)力更均勻。這也更符合實際情況。

圖9 桿單元應(yīng)力值對比曲線圖

4 主機架實例計算

軸承廠家只關(guān)注軸承本身的可靠性，而大部分廠家和機構(gòu)會犧牲經(jīng)濟性而選擇更保守的計算方法計算主機架的應(yīng)力，目前國內(nèi)對主機架應(yīng)力的計算方法大體一致[7]，建模模型主要包括主軸承、偏航軸承、主機架、過渡段及偏航制動等附屬裝置。各主機廠商及風電行業(yè)認證機構(gòu)已對軸承內(nèi)外圈、主機架、過渡段、偏航系統(tǒng)和部分塔筒的建模、接觸及邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分等達成共識，整個模型唯一存在爭議的即為滾子的建模處理。采用傳統(tǒng)桿單元模型和改進后的模型對主機架進行應(yīng)力分析，載荷工況同表2，改進前后仿真模型主機架應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 主機架應(yīng)力云圖

從圖10可以看出：改進前后模型主機架應(yīng)力分布情況整體一致，采用改進前模型得到的最大應(yīng)力大于改進后模型，改進后模型主機架的應(yīng)力結(jié)果分布相對更均勻。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是改進模型中連接桿單元的整個幾何環(huán)面中的節(jié)點以4個為一組共建立了192組節(jié)點耦合組，使得幾何環(huán)面2個面之間的剛度明顯增大。內(nèi)外圈之間的相對變形和轉(zhuǎn)角都會減小，從而影響了主機架的應(yīng)力分布情況。綜上可知,仿真模型會對主機架的仿真計算產(chǎn)生重要影響，改進后的模型更接近真實情況，故應(yīng)采用改進后的模型進行仿真計算。

風電機組實際載荷下主要工況的應(yīng)力分析結(jié)果見表3，表中所使用工況為按照德國勞埃德船級社(GL)的國際風電標準計算出的近3 000個工況遴選而來的7組最大值。分別選取圖2坐標系中各個方向的最大和最小載荷值，其中最小載荷值為負向最大值而非數(shù)值絕對最小值。Myzmax為y，z方向的合力矩。主機架應(yīng)力云圖趨勢一致，表中應(yīng)力值為主機架的米塞斯應(yīng)力最大值，最大值位置相同。由表3可知：不同桿單元建模方式對軸向載荷(Fxmax，F(xiàn)xmin方向應(yīng)力差距小于2%，表3中未列出)的傳遞影響不大，對周向載荷(Mxmax，Mxmin)的傳遞影響也不大，對非軸向彎矩載荷(Mymax，Mymin，Mzmax，Mzmin，Myzmax)的傳遞影響較大。而非軸向彎矩載荷是雙排圓錐滾子軸承的重要載荷之一，故有必要采用更加接近真實工況的軸承建模方式。

表3 不同工況下風電機組主機架應(yīng)力

5 結(jié)束語

主軸承作為風力發(fā)電機組的重要零部件，其仿真形式會對風機主機架、過渡段等重要零部件的應(yīng)力計算產(chǎn)生重要影響。針對傳統(tǒng)仿真方法的不足，提出了一種新的仿真方法，改進后的仿真方法的應(yīng)力仿真結(jié)果更接近真實情況。分析結(jié)果可為該類軸承的設(shè)計和應(yīng)用提供參考。