都爍然，高麗新，胡志棟*，姜繼海

(1.東北林業(yè)大學 工程技術(shù)學院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150080)

風能作為清潔能源，隨著當前世界對環(huán)境保護及可再生能源利用的關(guān)注程度增加，越來越受到人們的重視。由于技術(shù)進步，采用先進的充電器、逆變器，風力發(fā)電成為有一定科技含量的小系統(tǒng)，并能在一定條件下代替正常的市電，因此風能發(fā)電在未來具有很好的前景[1]。

風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換為機械功的動力機械，簡稱風機，又稱風車，外觀如圖1所示。風機的工作環(huán)境比較惡劣，往往應(yīng)用在旅游景區(qū)、邊防、學校、部隊乃至落后的山區(qū)。由于種種因素，風機需要能夠在交變載荷下安全、穩(wěn)定、長時間的工作。

圖1 風力發(fā)電機外觀圖

對風機機架等關(guān)鍵承載部件的分析已有較多論述，其良好的設(shè)計、可靠的品質(zhì)和優(yōu)越的性能是保證風電機組正常穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，但是平常不被人注意的蓄能器抱箍失效，也會引起巨大損失。抱箍失效會導(dǎo)致蓄能器脫落，進而由于風機的旋轉(zhuǎn)，從風機內(nèi)部損壞其他部件，造成風機整機的破壞，造成巨大經(jīng)濟損失，后果十分嚴重。

1 抱箍工作環(huán)境

蓄能器抱箍的工作情況如圖2所示，抱箍用于將蓄能器及其附件固定在機架上。圖3所示蓄能器被抱箍固定在機架上，隨著風機葉片做旋轉(zhuǎn)運動，因此在蓄能器及附件的重力及離心力作用下，對抱箍會產(chǎn)生一個周期與風機轉(zhuǎn)動周期相對應(yīng)的交變載荷。在抱箍設(shè)計時，往往容易忽略此交變載荷的作用，只考慮重力和離心力的作用，進而造成失效，失效情況如圖4所示。

圖2 蓄能器抱箍工作環(huán)境圖

圖3 蓄能器抱箍隨機架旋轉(zhuǎn)圖

圖4 抱箍斷裂部位圖

2 疲勞分析理論

疲勞破壞是指材料或結(jié)構(gòu)在遠低于材料強度極限的交變應(yīng)力作用下，發(fā)生破壞的現(xiàn)象。影響疲勞的因素包括交變載荷經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力幅、平均應(yīng)力、有否局部應(yīng)力集中等。疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故。

疲勞累積損傷理論是疲勞分析的理論基礎(chǔ)，其中最具代表性的是Palmgren-miner法則[2]，miner理論認為材料的疲勞破壞時由于循環(huán)載荷的不斷作用而產(chǎn)生損傷并不斷積累造成的，疲勞損傷累積達到破壞時吸收的凈功為W，總循環(huán)次數(shù)為N，材料的疲勞損傷程度與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成正比，在某一等級應(yīng)力下，試樣達到破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為Ni，經(jīng)Ni次應(yīng)力循環(huán)而產(chǎn)生疲勞損傷吸收的凈功為Wi，有：

(1)

若構(gòu)件在某恒定應(yīng)力S作用下，循環(huán)至破壞的壽命為N，則定義其在經(jīng)歷n次循環(huán)時的損傷為：

(2)

顯然，在某恒定應(yīng)力S作用下，若n=0，則D=0，構(gòu)件未受疲勞損傷，若n=N，則D=1，構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞。

若在k個應(yīng)力Si作用下，各經(jīng)歷ni次循環(huán)，則其總損傷(即疲勞壽命使用系數(shù))為：

(3)

當D=1時發(fā)生破壞。

3 抱箍靜力學分析

首先對風機抱箍的工作環(huán)境進行分析，提取主要力。因抱箍起到保持蓄能器相對支架固定，隨風機主軸旋轉(zhuǎn)的作用，因此，蓄能器的質(zhì)量在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生豎直向下的力即成為抱箍需要克服的力，因為風機轉(zhuǎn)速一般不高，此處忽略轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力作用。如圖5所示，把蓄能器及附件質(zhì)量產(chǎn)生的重力設(shè)為G，則抱箍所承受的最大力F為：

(4)

式中：a為兩個抱箍之間距離；b為一個抱箍距離蓄能器及組件重心的距離。

圖5 抱箍受力分析圖

依據(jù)實際抱箍尺寸，在Solidworks中建立抱箍的三維模型，導(dǎo)入ANSYS中劃分網(wǎng)格，根據(jù)實際抱箍受力及約束情況[3-9]，在腰形孔處施加三個方向的約束，在半圓形環(huán)面施加載荷，進行有限元分析，得到抱箍的Von Mises Stress應(yīng)力云圖如圖6所示。將受應(yīng)力最大部位放大如圖7所示，由圖可知，最大應(yīng)力284MPa，位于抱箍腰形孔處，與實際抱箍斷裂位置相同。理論上，此處應(yīng)力集中，雖然最大應(yīng)力并未達到材料應(yīng)力極限，但在交變載荷作用下，會逐漸產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴大，終至斷裂。這也解釋了抱箍斷裂位置都集中在腰形孔的遠端這一現(xiàn)象。

圖6 應(yīng)力云圖

圖7 應(yīng)力云圖局部放大

4 S-N曲線設(shè)置及ANSYS疲勞分析

S-N曲線，即應(yīng)力幅-壽命曲線，是以材料標準試件疲勞強度為縱坐標，以疲勞壽命的對數(shù)值lgN為橫坐標，表示一定循環(huán)特征下標準試件的疲勞強度與疲勞壽命之間關(guān)系的曲線。我們通常所說的材料的S-N曲線，是指把原材料做成圓棒形、在指定的加工精度等級和熱處理工藝下的標準試件，得到拉、壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)作用下的疲勞壽命，從而得到的相應(yīng)的S-N曲線。因此，不同的零件，因形狀不同，加工精度和熱處理工藝也不盡相同，其S-N曲線也自然不同。故而對于特定情況的仿真應(yīng)用S-N曲線僅用于參考。用ANSYS進行仿真，在定義材料，確定應(yīng)力位置之后，輸入S-N曲線，查閱手冊，得到抱箍材料的S-N曲線如圖8所示，提取S-N數(shù)據(jù)見表1。將數(shù)據(jù)輸入ANSYS進行疲勞壽命分析。由應(yīng)力分析可知，抱箍在工作時，σmax=284 MPa，σmin=0 MPa，將已知數(shù)據(jù)輸入ANSYS進行仿真，得到疲勞循環(huán)次數(shù)為4.696×106次。

圖8 材料的S-N曲線(材料參照為Q235鋼)

表1 材料S-N特性表

5 結(jié) 論

本文針對風機蓄能器抱箍在正常工作一段時間后出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，造成蓄能器整體脫落損壞風機這一嚴重事件，對風機蓄能器抱箍用有限元法進行了應(yīng)力分析及疲勞壽命分析，得出抱箍的疲勞壽命，合理解釋了實際中出現(xiàn)的抱箍斷裂問題。

材料的疲勞壽命受S-N曲線的影響較大，為提高疲勞壽命，有效的避免疲勞失效，可以通過降低平均應(yīng)力和減小應(yīng)力集中兩個方面來實現(xiàn)。針對風機蓄能器抱箍在具體實施中，可以增大抱箍厚度，圓滑過渡防止應(yīng)力集中，選用更好的材料等。

【參 考 文 獻】

[1]何玉林，吳德俊，侯海波，等.42CrMo風機塔筒法蘭高強度螺栓疲勞壽命分析[J].材料熱處理技術(shù)，2012.41(4)：1-4.

[2]呂杏梅，宋加佳.兆瓦級風機機架焊縫疲勞分析[J].電氣技術(shù)與自動化，2012，41(1)：172-175.

[3]高耀東，劉學杰.ANSYS機械工程應(yīng)用精華50例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]胡志棟，趙小強.基于ANSYS的木質(zhì)基復(fù)合材料的靜力學分析[J]森林工程，2010，26(5)：37-40.

[5]王 俊.基于ANSYS的桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].黑龍江科技信息，2010(18)：8.

[6]楊 彬，王德吉，李源源，等.基于ANSYS的活塞連桿強度分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012(16)：72.

[7]胡志棟，趙小強.基于ANSYS的木質(zhì)基復(fù)合材料的靜力學分析[J].森林工程，2010，26(5)：37-40.

[8]胡志棟，萬雨婷.基于ANSYS 的壓力容器可靠性分析[J].森林工程，2011，27(4)：15-19.

[9]李 孝.抱箍的應(yīng)力與變形分析[J].中小企業(yè)管理與科技,2012(13)：148-150.