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摘要：风力发电机组的主轴在运行工况下受力比较复杂，研发设计中，如果采用传统的计算方法去分析与验算主轴强度比较困难，针对这种情况我们对受力情况进行合理简化，用传统力学计算方法和计算机有限元分析软件对载荷验算和模型分析，通过两种处理方法互为验证和校核，来校核设备（主轴）能否满足运行的工况要求。
关键词：风力发电机组；主轴；载荷计算；模型，有限元应力分析
Abstract：The spindle of wind turbine works in hard conditions with complex loading. When in research and development, it is difficult to analysis and doing its strength calculation with traditional methods. So we can carry on the reasonable simplified forcing doing in spindle, calculate and analysis its strength with both traditional methods and analysis software on computer to check its reliability whether it can work well.
Keywords: Wind turbine; Spindle; load calculation; Model; Finite element stress analysis
中图分类号：P512.2+1文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
0引言
风力发电机组的不断发展实现着新能源的开发和利用。大兆瓦风力发电机组的开发、设计不断继续着，然而风力发电机组多工作在地处偏僻、气候异常的工况下，机组及其子系统的受力十分复杂，部件的设计和载荷验算比较复杂。本文研究某2MW双馈风力发电机组，以其双支撑式主轴为例，采用传统的载荷计算方法和主轴模型的Ansys有限元应力分析，来校核和验证主轴的设计强度（注：主轴设计主要根据我国《风力发电机组设计要求》—JB/T10300和IEC61400—1《风力机系统安全要求》标准设计，同时在载荷工况、载荷计算、载荷局部安全系数、材料局部安全系数等方面都参照了此标准）。本文通过主轴受力的传统力学计算和计算机有限元分析的分析演示来阐述风电机组中对设备部件的载荷设计、校核验证的方法。
双支撑式主轴材料及结构型式
关于风力发电机组的主轴选用材料，国内外中、小型的风力发电机组中普遍采用的材料是42CrMnTi和40Cr等合金钢锻件；而大型（MW级）风力发电机组多采用球墨铸铁作为传动链的主要受力部件（大型合金钢锻件制作难度增加）。如图1（视图a）和图2（视图b）为某2MW风力发电机组双支撑式传动轴模型，我们选用的材料为：球墨铸铁QT400—18AL。
图1 双支撑式主轴模型（视图a）
图2 双支撑式主轴模型（视图b）
双支撑式主轴前后采用2个轴承进行支撑，如图3，其具有承载力大、刚性好、结构稳定等优点，并且可非常有效降低风力发电机组中风轮对齿轮箱产生的附加载荷（该结构在MW级风力发电机组中应用非常广泛）。
图3 双支撑式主轴前后支撑结构
双支撑式主轴的载荷计算
根据某2MW双馈风力发电机组的风轮系统、齿轮箱和发电机的相關参数进行设计和载荷计算如下：
某2MW双馈风力发电机组中：P—风力机的轴功率（kW）（考虑效率，输入功率可取2200kW）；n—风轮的额定转速（为19rpm）； －风轮总重量（约为50吨）；L－风轮重心到主传动轴安装面距离（约为2.304m）；则传动链系统中主轴载荷的计算如下：
弯矩：
扭矩：
当量弯矩（根据2MW风力发电机组运行的工况情况和运行特点，取脉动循环=0.6）：
按当量弯矩校核轴的强度如下：
危险截面处的应力：
（W：危险截面处的抗弯截面模量mm3）
许用疲劳应力：
安全系数：
由计算可知所设计的双支撑式主轴的强度足够，符合某2MW双馈风力发电机组的要求。
双支撑式主轴的有限元分析验证
进行过某2MW双馈风力发电机组传动链主轴载荷计算后，现进行主轴模型的有限元应力分析验证（即将风轮系统所产生的各方向力及力矩合成后加载到主传动轴，使用计算机利用ANSYS软件进行主轴模型的有限元分析），分析如下：
3.1双支撑式主轴的几何模型
双支撑式主轴的几何模型如图4（三维视图）：
图4 双支撑式主轴几何模型的三维视图
3.2双支撑式主轴的有限元模型
单元类型：本主轴采用空间六面体单元（Hex8）划分有限元模型。
单元划分：主要采用Ansys软件自动划分加人工控制单元尺寸的方法，对于主轴上可能出现应力集中的区域网格作了加密处理。
单元数量：节点数：14815；单元数：9520。双支撑式主轴的有限元模型见图5（三维视图）：
图5 双支撑式主轴有限元模型的三维视图
3.3位移边界条件
位移边界条件：在主轴与轴承接触的节点上施加如下位移约束：，即约束节点三个方向的位移自由度，位移边界条件示意图见图6：
图6 双支撑式主轴有限元模型中位移边界条件
3.4载荷边界条件
在接触面中心建立一个独立点，接触面上其他节点与独立点相关，在独立点上施加弯矩和扭矩；大小为：弯矩；扭矩，载荷边界条件见图7：
图7 双支撑式主轴有限元模型中载荷边界条件（俯视）
3.5双支撑式主轴的Ansys分析主轴应力结果
主轴的应力（Von Mises）分析结果如图8至图12所示：
图8 双支撑式主轴的应力分布云图（最大应力16.3Mpa）
图9 双支撑式主轴的应力正视图
图10 双支撑式主轴的应力侧视图
图11 双支撑式主轴的应力俯视图
图12 双支撑式主轴的最大应力处（最大应力16.3Mpa）
3.6双支撑式主轴的变形结果分析
主轴的变形（Von Mises）分析结果如图13至图14所示：
图13 双支撑式主轴变形正视图（最大变形0.284mm）
图14 双支撑式主轴变形三维视图
由模型Ansys分析结果可知：主轴与轴承接触处局部应力水平较高（16.3Mpa），但也远远小于主轴材料的疲劳强度40Mpa；主轴的最大变形量（0.284mm）也远远小于其许可值（0.5㎜）。
4结论
在MW级风力发电机组的设计中，由于风力发电机组的运行工况和受力情况相对复杂，可将设备复杂的受力情况分析，载荷计算在传统建模、计算分析的同时，结合设备力学模型的分析验证来对设备的设计进行校核，把握设备的可靠性。
参考文献:
[1]林士龙，李景奎，张锴锋. 基于ANSYS的机床主轴有限元分析[J].机械设计与制造. 2007（05）.
[2]陈世教,何晶昌.ANSYS载荷工况在CK6132主轴分析中的应用[J]. 机械设计与制造.2007（10）.
[3]何玉林，陈新厂，金鑫，刘桦，刘平. 风力发电机组轮毂有限元分析与优化[J]. 机械与电子. 2008（04）.
[4]谢达昕，杨屹，杨刚，许健.铸造风力发电机主轴冲击性能有限元分析[J]. 热加工工艺. 2011（09）.
[5]翟保超.大型风电机组主轴轴承故障分析及疲劳寿命数值模拟[D]. 燕山大学 2011
[6]廖明夫.风力发电技术[M].西安：西北工业大学出版社，2009.
作者简介：
薛建（1982-），男，工程师，研究方向为风力发电机组的研发和设计、控制技术。
黄宇（1986-）男，工程师，研究方向为风力发电机组的研发和设计
白晓珍（1985-）女，工程师，研究方向为风力发电机组研发设计、控制技术。
朱斯（1985-）男，工程师，研究方向为风力发电机组控制技术。
何红光（1965-）男，工程师，研究方向为新能源的开发和设计。
任光绪（1985-）男，工程师，研究方向为风力发电机组的研发设计、控制技术。
关键词：风力发电机组；主轴；载荷计算；模型，有限元应力分析
Abstract：The spindle of wind turbine works in hard conditions with complex loading. When in research and development, it is difficult to analysis and doing its strength calculation with traditional methods. So we can carry on the reasonable simplified forcing doing in spindle, calculate and analysis its strength with both traditional methods and analysis software on computer to check its reliability whether it can work well.
Keywords: Wind turbine; Spindle; load calculation; Model; Finite element stress analysis
中图分类号：P512.2+1文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
0引言
风力发电机组的不断发展实现着新能源的开发和利用。大兆瓦风力发电机组的开发、设计不断继续着，然而风力发电机组多工作在地处偏僻、气候异常的工况下，机组及其子系统的受力十分复杂，部件的设计和载荷验算比较复杂。本文研究某2MW双馈风力发电机组，以其双支撑式主轴为例，采用传统的载荷计算方法和主轴模型的Ansys有限元应力分析，来校核和验证主轴的设计强度（注：主轴设计主要根据我国《风力发电机组设计要求》—JB/T10300和IEC61400—1《风力机系统安全要求》标准设计，同时在载荷工况、载荷计算、载荷局部安全系数、材料局部安全系数等方面都参照了此标准）。本文通过主轴受力的传统力学计算和计算机有限元分析的分析演示来阐述风电机组中对设备部件的载荷设计、校核验证的方法。
双支撑式主轴材料及结构型式
关于风力发电机组的主轴选用材料，国内外中、小型的风力发电机组中普遍采用的材料是42CrMnTi和40Cr等合金钢锻件；而大型（MW级）风力发电机组多采用球墨铸铁作为传动链的主要受力部件（大型合金钢锻件制作难度增加）。如图1（视图a）和图2（视图b）为某2MW风力发电机组双支撑式传动轴模型，我们选用的材料为：球墨铸铁QT400—18AL。
图1 双支撑式主轴模型（视图a）
图2 双支撑式主轴模型（视图b）
双支撑式主轴前后采用2个轴承进行支撑，如图3，其具有承载力大、刚性好、结构稳定等优点，并且可非常有效降低风力发电机组中风轮对齿轮箱产生的附加载荷（该结构在MW级风力发电机组中应用非常广泛）。
图3 双支撑式主轴前后支撑结构
双支撑式主轴的载荷计算
根据某2MW双馈风力发电机组的风轮系统、齿轮箱和发电机的相關参数进行设计和载荷计算如下：
某2MW双馈风力发电机组中：P—风力机的轴功率（kW）（考虑效率，输入功率可取2200kW）；n—风轮的额定转速（为19rpm）； －风轮总重量（约为50吨）；L－风轮重心到主传动轴安装面距离（约为2.304m）；则传动链系统中主轴载荷的计算如下：
弯矩：
扭矩：
当量弯矩（根据2MW风力发电机组运行的工况情况和运行特点，取脉动循环=0.6）：
按当量弯矩校核轴的强度如下：
危险截面处的应力：
（W：危险截面处的抗弯截面模量mm3）
许用疲劳应力：
安全系数：
由计算可知所设计的双支撑式主轴的强度足够，符合某2MW双馈风力发电机组的要求。
双支撑式主轴的有限元分析验证
进行过某2MW双馈风力发电机组传动链主轴载荷计算后，现进行主轴模型的有限元应力分析验证（即将风轮系统所产生的各方向力及力矩合成后加载到主传动轴，使用计算机利用ANSYS软件进行主轴模型的有限元分析），分析如下：
3.1双支撑式主轴的几何模型
双支撑式主轴的几何模型如图4（三维视图）：
图4 双支撑式主轴几何模型的三维视图
3.2双支撑式主轴的有限元模型
单元类型：本主轴采用空间六面体单元（Hex8）划分有限元模型。
单元划分：主要采用Ansys软件自动划分加人工控制单元尺寸的方法，对于主轴上可能出现应力集中的区域网格作了加密处理。
单元数量：节点数：14815；单元数：9520。双支撑式主轴的有限元模型见图5（三维视图）：
图5 双支撑式主轴有限元模型的三维视图
3.3位移边界条件
位移边界条件：在主轴与轴承接触的节点上施加如下位移约束：，即约束节点三个方向的位移自由度，位移边界条件示意图见图6：
图6 双支撑式主轴有限元模型中位移边界条件
3.4载荷边界条件
在接触面中心建立一个独立点，接触面上其他节点与独立点相关，在独立点上施加弯矩和扭矩；大小为：弯矩；扭矩，载荷边界条件见图7：
图7 双支撑式主轴有限元模型中载荷边界条件（俯视）
3.5双支撑式主轴的Ansys分析主轴应力结果
主轴的应力（Von Mises）分析结果如图8至图12所示：
图8 双支撑式主轴的应力分布云图（最大应力16.3Mpa）
图9 双支撑式主轴的应力正视图
图10 双支撑式主轴的应力侧视图
图11 双支撑式主轴的应力俯视图
图12 双支撑式主轴的最大应力处（最大应力16.3Mpa）
3.6双支撑式主轴的变形结果分析
主轴的变形（Von Mises）分析结果如图13至图14所示：
图13 双支撑式主轴变形正视图（最大变形0.284mm）
图14 双支撑式主轴变形三维视图
由模型Ansys分析结果可知：主轴与轴承接触处局部应力水平较高（16.3Mpa），但也远远小于主轴材料的疲劳强度40Mpa；主轴的最大变形量（0.284mm）也远远小于其许可值（0.5㎜）。
4结论
在MW级风力发电机组的设计中，由于风力发电机组的运行工况和受力情况相对复杂，可将设备复杂的受力情况分析，载荷计算在传统建模、计算分析的同时，结合设备力学模型的分析验证来对设备的设计进行校核，把握设备的可靠性。
参考文献:
[1]林士龙，李景奎，张锴锋. 基于ANSYS的机床主轴有限元分析[J].机械设计与制造. 2007（05）.
[2]陈世教,何晶昌.ANSYS载荷工况在CK6132主轴分析中的应用[J]. 机械设计与制造.2007（10）.
[3]何玉林，陈新厂，金鑫，刘桦，刘平. 风力发电机组轮毂有限元分析与优化[J]. 机械与电子. 2008（04）.
[4]谢达昕，杨屹，杨刚，许健.铸造风力发电机主轴冲击性能有限元分析[J]. 热加工工艺. 2011（09）.
[5]翟保超.大型风电机组主轴轴承故障分析及疲劳寿命数值模拟[D]. 燕山大学 2011
[6]廖明夫.风力发电技术[M].西安：西北工业大学出版社，2009.
作者简介：
薛建（1982-），男，工程师，研究方向为风力发电机组的研发和设计、控制技术。
黄宇（1986-）男，工程师，研究方向为风力发电机组的研发和设计
白晓珍（1985-）女，工程师，研究方向为风力发电机组研发设计、控制技术。
朱斯（1985-）男，工程师，研究方向为风力发电机组控制技术。
何红光（1965-）男，工程师，研究方向为新能源的开发和设计。
任光绪（1985-）男，工程师，研究方向为风力发电机组的研发设计、控制技术。