風電機組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備研究及應用

楊兆忠

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著國家2030年碳達峰和2060年碳中和目標的確定，作為清潔能源主力軍的風力發(fā)電迎來了新的發(fā)展機遇。隨著風力發(fā)電整體技術(shù)的進步和評價上網(wǎng)的需求，風力發(fā)電機組[1]向著功率等級越來越大的方向發(fā)展。大功率風電機組內(nèi)的主軸總成體積、質(zhì)量也越來越大，裝配難度越來越高。目前風電機組的主軸總成裝配行業(yè)內(nèi)有水平裝配和垂直裝配兩種方式，為提升裝配效率并減少生產(chǎn)設(shè)備投入，絕大多數(shù)風電整機生產(chǎn)采用垂直裝配。由于風電機組主軸裝配完成后需要與齒輪箱水平對接，所以需要將主軸由垂直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)調(diào)整至水平狀態(tài)。

目前行業(yè)內(nèi)風電機組主軸[1-2]翻轉(zhuǎn)以起重機主副鉤協(xié)同作業(yè)翻轉(zhuǎn)為主，天車主副鉤通過吊具與主軸的兩端連接（如圖1），先使用一個吊鉤將主軸吊起，再使用另外一個吊鉤拉主軸的另一端將其調(diào)整到水平狀態(tài)。該方式對起重機的噸位和廠房的承載有較高要求，為降低該工序?qū)ζ鹬貦C承載能力的依賴，降低天車投入和廠房建設(shè)成本，本文設(shè)計開發(fā)了主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備。設(shè)備只需借用起重機的較小拉力即可實現(xiàn)風電機組主軸翻轉(zhuǎn)作業(yè)，實現(xiàn)主軸豎直與水平方向的位姿變換。設(shè)備的開發(fā)有效解決了主軸翻轉(zhuǎn)對起重設(shè)備噸位的依賴，解決了生產(chǎn)瓶頸問題。

圖1 使用起重機主副鉤對主軸翻轉(zhuǎn)

隨著風電機組功率等級不斷增加，風電機組部件的質(zhì)量也在不斷增大。為確保風機生產(chǎn)組裝過程中的安全性，需對裝配過程中使用的承載設(shè)備強度進行分析校核[3]，確保滿足標準要求。根據(jù)作業(yè)過程出現(xiàn)的極限工況對風電機組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備本體和焊縫的強度進行校核計算[3-7]，確保設(shè)備的強度和壽命滿足使用要求。

1 風電機組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備開發(fā)

風電機組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。該設(shè)備主要由翻轉(zhuǎn)盤、鎖緊銷、轉(zhuǎn)軸、底座和后支架等零部件組成。轉(zhuǎn)軸位置采用深溝球軸承進行旋轉(zhuǎn)支撐。后支架可根據(jù)主軸的長度來調(diào)整位置，以適應不同型號風電機組主軸的需求。

圖2 主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)

主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備用于輔助主軸翻轉(zhuǎn)的操作。圖3為主軸垂直放置狀態(tài)示意圖，在該狀態(tài)下，使用翻轉(zhuǎn)盤上的止口定位，并用螺栓對主軸法蘭和翻轉(zhuǎn)盤進行緊固。設(shè)備與主軸連接所用的螺栓型號與產(chǎn)品上該位置使用的接口一致，以減少對產(chǎn)品的接口加工要求。為方便翻轉(zhuǎn)，主軸總成在放置到翻轉(zhuǎn)盤時，其重心位于轉(zhuǎn)軸軸線略偏后支架一側(cè)。此時翻轉(zhuǎn)設(shè)備上的兩個鎖緊銷處于插入狀態(tài)，避免主軸向后支架方向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生安全隱患。

圖3 主軸垂直放置狀態(tài)

當主軸需要進行翻轉(zhuǎn)操作時，拔出鎖緊銷，起重機通過吊具與主軸頂部連接，借助于起重機外力，斜拉主軸的頂部，緩慢轉(zhuǎn)動主軸及翻轉(zhuǎn)盤，直至將主軸總成翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，最終將主軸落至后支架上（如圖4），從而完成主軸的翻轉(zhuǎn)動作。然后拆卸主軸總成與設(shè)備的連接螺栓，使用天車將主軸總成轉(zhuǎn)至下工序與齒輪箱裝配。翻轉(zhuǎn)設(shè)備需借助起重機外力調(diào)整至圖2的狀態(tài)，插入鎖緊銷，以便下次使用。

圖4 主軸水平放置狀態(tài)

2 主軸翻轉(zhuǎn)過程極限工況分析

為了保證有限元分析的精確性，在邊界條件設(shè)置[8]前需對可能出現(xiàn)的各種極限載荷工況進行分析。對本文研究的風電機組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備，需考慮主軸垂直和水平兩種狀態(tài)下的極限工況。結(jié)合設(shè)備后續(xù)需要翻轉(zhuǎn)的風電機組主軸型號對應的產(chǎn)品質(zhì)量，取最重的主軸總成進行分析，此次設(shè)計時考慮主軸總成質(zhì)量為50 t。主軸總成垂直放置在翻轉(zhuǎn)設(shè)備上時（如圖3），其重力均勻分布在翻轉(zhuǎn)盤4個接觸面，然后被傳遞至兩個轉(zhuǎn)軸及鎖緊銷上。主軸總成水平放置在翻轉(zhuǎn)設(shè)備上時（如圖4），重力由翻轉(zhuǎn)盤和后支架共同承擔。

3 主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備分析計算

3.1 靜強度分析

結(jié)合設(shè)備的材料屬性、零部件之間的接觸關(guān)系，建立有限元計算模型。結(jié)合設(shè)備在各極限工況的承載情況及承載位置，設(shè)置計算邊界條件。設(shè)置豎直狀態(tài)與水平狀態(tài)下，主軸總成翻轉(zhuǎn)設(shè)備有限元分析模型如圖5、圖6所示。在主軸總成處于垂直狀態(tài)工況時，對工裝的底面進行全約束，主軸總成的重力均勻施加在翻轉(zhuǎn)盤與主軸的4個接觸面上。在主軸總成處于水平狀態(tài)工況時，對工裝的底面進行全約束，結(jié)合主軸總成重心位置，將載荷施加在翻轉(zhuǎn)盤和尾部支架上。

圖5 豎直狀態(tài)下有限元模型

圖6 水平狀態(tài)下有限元模型

計算兩種極限工況下設(shè)備的強度和剛度，結(jié)合主軸的質(zhì)量和吊裝時沖擊載荷系數(shù)，在主軸與工裝接觸的位置施加外部載荷。由于設(shè)備中使用了多種材料，在查看有限元分析計算結(jié)果時，需結(jié)合每個部件的材料屬性進行分析強度判斷。

圖7為主軸總成垂直工況下翻轉(zhuǎn)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)應力云圖，最大應力為235 MPa，位置在轉(zhuǎn)軸支撐座處，該位置使用的材料為Q345B，屈服極限為315 MPa。圖8為主軸總成水平工況下翻轉(zhuǎn)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)應力云圖，最大應力為288 MPa，位置在轉(zhuǎn)軸處，該位置使用的材料為42CrMo，屈服極限為410 MPa。主軸垂直和水平工況設(shè)備最大變形量分別為2.6 mm和2.3 mm，整體剛度較好。部件結(jié)構(gòu)安全裕度的定義為：Msult=［σ］/σm-1。其中：［σ］為設(shè)備選用材料的許用應力值；σm為有限元分析計算得到的結(jié)構(gòu)最大應力值。［σ］=σs/n，其中：σs為材料的屈服極限值，其大小跟設(shè)計選擇材料的厚度相關(guān)；n為安全系數(shù)，通常取1.1。當安全裕度大于0時，則設(shè)備強度滿足設(shè)計要求。通過對主軸垂直狀態(tài)下翻轉(zhuǎn)設(shè)備各處應力分析，所設(shè)計的翻轉(zhuǎn)設(shè)備在垂直和水平兩個極限工況下的安全裕度均大于0，滿足強度要求。

圖7 主軸垂直狀態(tài)設(shè)備應力云圖

圖8 主軸水平狀態(tài)設(shè)備應力云圖

圖10 焊縫疲勞外推應力分量

通過查看各部件應力云圖發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備存在一定的優(yōu)化空間，可適當加強轉(zhuǎn)軸支撐座腹板的厚度，對腹板邊緣采用圓滑過渡以減小應力集中。對轉(zhuǎn)軸軸肩，可適當增大該處尺寸，增加圓角半徑，以降低應力集中帶來的影響。在屈服極限應力范圍內(nèi)，可適當減小翻轉(zhuǎn)盤和底座部分鋼板的厚度，以減輕設(shè)備整體質(zhì)量。

3.2 設(shè)備的疲勞壽命分析

風電機組主軸翻轉(zhuǎn)設(shè)備疲勞壽命分析與極限強度分析的有限元模型基本相同，該設(shè)備主體為焊接結(jié)構(gòu)，焊接件的疲勞損傷失效通常發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū)。所以在有限元建模計算時需要對焊縫位置進行特殊網(wǎng)格劃分處理，根據(jù)焊接處兩板中較薄的板厚尺寸，在焊縫處建立0.4倍和1倍焊接板厚兩層有限元網(wǎng)格單元。根據(jù)國際焊接協(xié)會的規(guī)定及Eurocode3 1-9[9]中的要求，有限元模型上最終焊址處的應力值通過差值外推計算得到。本文采用國際焊接協(xié)會的應力外推方法[10]，即在距離焊趾0.4倍壁厚位置和1.0倍壁厚位置提取有限元計算結(jié)果應力值，再進行線性差值外推計算出焊趾位置的應力值。如果直接使用有限元模型上焊趾位置的應力值，會存在應力集中導致計算結(jié)果不準確。對焊縫條數(shù)多且不規(guī)則的焊接件，可根據(jù)在模型上施加的極限載荷和各單位載荷時焊接件主體上的應力分布，選擇應力值大的位置作為熱點位置進行重點分析，從而減少分析計算量。

通過有限元軟件的后處理模塊提取各個熱點在0.4倍壁厚位置和1.0倍壁厚位置的有限元模型節(jié)點上的正應力及切應力，再利用線性插值得到位于焊縫熱點處的應力值。最終獲得各個熱點的應力值［σ⊥f，τ⊥f，τ//f］與所施加單位載荷間的關(guān)系矩陣，并應用雨流計數(shù)法獲得焊址處等效疲勞正應力和等效疲勞切應力。Eurocode3 1-9中焊縫的等效正應力和切應力計算公式為：

式中：σwf為焊縫的等效正應力；τwf為焊縫的等效切應力；σ⊥f為垂直于焊縫的正應力；τ⊥f為垂直于焊縫的切應力；τ//f為平行于焊縫的切應力。

考慮疲勞安全系數(shù)，焊縫疲勞損傷判據(jù)為

式中：γM為焊縫的安全系數(shù)，取1.1；ΔσxS，d為焊縫的許用疲勞正應力，由焊縫的疲勞等級確定；ΔτxyS，d為焊縫的許用疲勞切應力，由焊縫的疲勞等級確定。

焊縫的許用疲勞正應力和切應力的數(shù)值可參考風電行業(yè)GL規(guī)范中提供的焊接件SN曲線結(jié)合疲勞壽命循環(huán)次數(shù)推導得到。通過分析該設(shè)備的焊縫疲勞壽命也滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文結(jié)合風電機組實際生產(chǎn)裝配需要，設(shè)計了一種用于大功率風電機組主軸翻轉(zhuǎn)的設(shè)備。該設(shè)備可以借助較小的起重機外力，輕松完成大功率風電機組主軸總成豎直到水平方向的位姿變換。通過對設(shè)備的強度和剛度計算及關(guān)鍵位置的焊縫疲勞壽命分析，確保滿足設(shè)計需求。設(shè)備的開發(fā)應用有效解決了主軸翻轉(zhuǎn)對起重機承載能力的依賴，解決了風電機組生產(chǎn)瓶頸問題。設(shè)備的開發(fā)和分析計算過程為其它機械設(shè)備的設(shè)計開發(fā)提供指導。對設(shè)計的設(shè)備進行了現(xiàn)場使用驗證（如圖11），達到預期目標，目前該設(shè)備已用于風電機組的批量生產(chǎn)中。

圖11 設(shè)備現(xiàn)場使用驗證