王 娜，王 磊

（1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110067；2.沈陽遠(yuǎn)大科技電工有限公司，遼寧 沈陽 110027）

0 引言

一般情況下，機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何外形相當(dāng)復(fù)雜，所受外力負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往難以進行。要求得答案，就必須簡化結(jié)構(gòu)或采用有限元法及數(shù)值方法。由于計算機技術(shù)日新月異的發(fā)展，相對應(yīng)的軟件也相應(yīng)而生。ANSYS 是集結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，包括機械、電機、土木、航空及電子等不同領(lǐng)域，而且在這些方面的應(yīng)用都能達到相當(dāng)程度的可靠度，頗獲各界好評。使用該軟件可以降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計時間。

1 軸承座的設(shè)計

1.1 軸承座結(jié)構(gòu)

軸承座是用于支撐軸類零件的，其作為主軸的主要支承部件，其性能和可靠性非常關(guān)鍵。需要通過綜合分析并與主軸和風(fēng)輪載荷的計算，確定軸承座的結(jié)構(gòu)形式、外形、壁厚、聯(lián)接尺寸和選材。軸承座設(shè)計具有以下特點和要求：

（1）精度與定位： 軸承座精度包括軸承座整體組合和零、部件的地位與外形尺寸精度、配合精度與定位精度。還須思索零部件的制造工藝性和工藝精度，以保證軸承座的精細(xì)功能和牢靠性。

（2）軸承座的導(dǎo)向安裝： 軸承座運動方向的導(dǎo)向，是由導(dǎo)向安裝來保證的。軸承座運動方向的導(dǎo)向安裝，由于起著精細(xì)導(dǎo)向和精細(xì)定位作用，所以要求精度高，導(dǎo)向剛度好等，常采用過定位導(dǎo)向。

（3） 軸承座的工藝分析： 軸承座在工作時，靜力平衡。鑄件要求不能有砂眼、疏松等缺陷，以保證零件的強度、硬度及疲勞度，在靜力的作用下，不至于發(fā)生意外事故。

1.2 主軸承座材料特性

材料為球磨鑄鐵。規(guī)格為EN-GJS-350-22U-LT，EN 1563。

（1）材料的化學(xué)成分不作驗收依據(jù)，由供應(yīng)商自行決定。

（2）鑄件附與鑄件狀態(tài)一樣的鑄試塊的性能試驗報告。

表1 性能試驗數(shù)據(jù)Tab.1Theperformancetestdata

圖1 軸承座效果圖Fig.1 The effect diagram of bearing house

（3）鑄件附與鑄件狀態(tài)一樣的鑄試塊V 型缺口試樣的沖擊功試驗并提供報告。試驗溫度：-40℃±2℃，三個試樣平均值不低于12J，個別值不低于9J。

（4）金相組織要求。材料的金相組織檢驗須按ISO945 進行，且金相組織試樣必須取自附鑄試塊上，要求為： 球化率達到80%以上；石墨大小5-7 級；鐵素體基體（珠光體含量不高于10%）。

2 分析過程

主軸承座計算分析報告，主要校查軸承座的極限強度分析和疲勞壽命分析。查看極限工況下的主軸承座的強度是否滿足設(shè)計要求。

圖2 輪轂固定坐標(biāo)系Fig.2 The fixed hub coordinate system

2.1 坐標(biāo)系和材料性能參數(shù)

坐標(biāo)系見圖2。主機架、軸承座、增速箱安裝座材質(zhì)：EN-GJS-400-18U-LT，密度7000kg/m3，彈性 模量1.73×105MPa，泊松比0.3，材料力學(xué)性能指標(biāo)執(zhí)行EN 1563。具體數(shù)據(jù)見表2。

主軸材質(zhì)為42CrMo4，密度7850 kg/m3，彈性模量2.1×105MPa，泊松 比0.28，材料力學(xué)性能指標(biāo)執(zhí)行鋼鐵材料數(shù)據(jù)表SEW550，詳見表3。

表2 鑄造——球墨鑄鐵EN1563Tab.2Cast-SpheroidalgraphitecastironEN1563

表3 大型鍛造合金鋼材料數(shù)據(jù)表SEW550Tab.3SteelsforlargerforgedpartsQualityinstructions SEW550

2.2 邊界條件及載荷

（1） 全部約束主機架與塔筒法蘭接觸面6 個自由度（見圖3）。

（2）加載點設(shè)在輪轂中心的主軸軸線上。考慮到Mx作用在齒輪箱的安裝座上，主軸承上的link10 不能傳遞Mx 力矩，相當(dāng)于自由端，因此Mx 對主軸承座的分析結(jié)果不產(chǎn)生影響，因此只加載My、Mx、Fx、Fy、Fz 五個分量。極限工況螺栓靜強度分析見表4。

圖3 全部約束主機架與塔筒法蘭接觸面6 個自由度Fig.3 The 6 freedom of interface of full constraint main frame and tower flange

表4 極限工況螺栓載荷表（以2個為例）Tab.4Boltloadunderlimitcondition(take2asanexample)

2.3 主軸承座極限靜載荷計算結(jié)果

主軸承座工況1 極限載荷von 應(yīng)力云圖計算結(jié)果（見圖4）。

圖4 主軸承座工況1 極限載荷von 應(yīng)力云圖計算結(jié)果Fig. 4 The calculation results of load case1 extreme load von stress of main bearing house

3 主軸承座疲勞分析

3.1 計算載荷

載荷工況根據(jù)疲勞工況下風(fēng)機載荷分布情況，按表5 加載。

表5 疲勞計算時載荷工況(以2個為例)Tab.5Theloadcasesoffatiguecalculation(e.g.2)

3.2 球墨鑄鐵S-N 曲線的選取

Rm=1.06Rm=1.06σ0.2=1.06×240=254.4MPa；

σW=0.27Rm+100=168.688MPa；

拉壓/彎轉(zhuǎn)/扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中系數(shù)： αk=1，d≥100；

選取應(yīng)力梯度： χ*βk=αk=1；

F0=1-（0.22（lgRz）0.64）lgRm+0.45（lgRz）0.53；

其中：Rz—輪轂粗糙度 （μm）；F0K=（βk2-1+1/F02）0.5=1/F0；抗拉疲勞極限：σWK=σW/F0K=168.688 ×0.825 =139.1676MPa；疲 勞S-N 曲線 斜率： K=5.5/F0K2+6=5.5×0.8252+6=9.743；對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)：lg（ND）=6.8-3.6/K=6.8-3.6/9.743=6.43，ND=2.69×106。

以上求得是EN-GJS-400-18UT 在存活率50%時的有限次循環(huán)的S-N 曲線，依照GL 標(biāo)準(zhǔn)，要求對曲線進行修正，得到存活率大于97.7%無限次循環(huán)S-N 曲線，具體修正方法如圖5 所示。

圖5 曲線修正Fig.5 The corrected curve

通過以上過程得到了了修正后存活率大于97.7%的球墨鑄鐵的S-N 曲線。

3.3 有限元模型

疲勞斷裂一般開始發(fā)生在物體表面處，為此在主軸承座的表面鋪設(shè)一層Shell93 的殼單元，以方便對進行疲勞運算而選擇的熱點進行應(yīng)力值的提取。由于殼單元幾乎沒有厚度，故它們的存在對材料硬度沒有影響。

其它有限元模型和極限載荷有限元分析一樣。

3.4 單位載荷作用應(yīng)力分析

根據(jù)疲勞易破壞位置，在主軸承座外表面選取了十個節(jié)點進行疲勞熱點分析。在每種工況下提取關(guān)注的疲勞熱點的Sx，Sy，Sxy 三個應(yīng)力值，由于提取的是x、y方向的應(yīng)力和xy 平面的剪應(yīng)力，不能確定那個斜截面正應(yīng)力最大，因此從0～360°每格進行應(yīng)力合成。具體合成根據(jù)材料力學(xué)正應(yīng)力公式進行：

α 每隔15°計算一次，這樣就得到了各工況下的0-360°關(guān)注疲勞節(jié)點位置應(yīng)力大小。由于每種工況都是施加的單位載荷，各截面應(yīng)力為單位載荷下的應(yīng)力。主軸承座在單一載荷作用下應(yīng)力值可以認(rèn)為是隨載荷大小成線性關(guān)系，用得到的正應(yīng)力除以單位載荷即得到載荷和正應(yīng)力的關(guān)系。

3.5 疲勞計算結(jié)果

由單位載荷與熱點應(yīng)力之間的關(guān)系，在GH-Bladed進行通道合并，得到各載荷分量隨時間變化的載荷-時間歷程，在軟件中合成出各熱點應(yīng)力-時間歷程，并進行雨流計數(shù)，得到m 為9.743 循環(huán)次數(shù)為1×107的20年主軸承座疲勞載荷譜。對疲勞載荷譜用包含平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)的馬爾可夫矩陣表示，具體得到10 個關(guān)注應(yīng)力節(jié)點，α 每隔15°變化的120 個矩陣。

由于上面所得到主軸承座材料的疲勞曲線是未考慮平均應(yīng)力的影響的，從馬爾可夫矩陣得到的各平均應(yīng)力對S-N 曲線修正。具體修正根據(jù)Goodman 方法：

其中： σ—修正后的應(yīng)力幅值；σ-1—疲勞應(yīng)力幅值；σm—平均應(yīng)力；σb—抗拉強度極限。

在修正后的曲線上得到每種對應(yīng)平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值的循環(huán)次數(shù)。這樣就可以得到10 個節(jié)點每個角度下的累積疲勞損傷。每個節(jié)點最大的疲勞損傷如表6 所示。

通過計算分析，主軸承座疲勞強度滿足GL 規(guī)范要求。

表6 各節(jié)點最大的疲勞損傷Tab.6 The m axim um fatigue dam age of nodes

4 結(jié)論

（1）在用ANSYS 對軸承座進行前處理的過程中，必須指定模型的密度，否則不能得出想要的結(jié)果。

（2）模型的求解是在無阻尼、自由振動的假設(shè)前提下進行的。

（3）必須對模型施加與實際情況相符的約束，不允許有非零位移約束。

（4）通過ANSYS 軟件對軸承座進行了有限元動力學(xué)模態(tài)分析，主軸承座疲勞強度滿足GL 規(guī)范要求。研究結(jié)果可為軸承座的動態(tài)響應(yīng)計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)?？煽s短研發(fā)周期，提高設(shè)計質(zhì)量。

通過對本次課題的設(shè)計，以及對風(fēng)力發(fā)電機組、ANSYS 模態(tài)分析功能的實際了解，由于許多方面條件上的限制，本次設(shè)計與分析的一些地方仍有進一步研究的必要。

[1] 楊軍，楊世文，王京濤，等. 基于ANSYS 的軸承座的模態(tài)分析[J].機械工程與自動化，2011，4.

[2] 李宏雁.ANSYS 的設(shè)計優(yōu)化理論及應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造，2007，6.

[3] Baker, R. W. Turbine Energy Shortfalls Due to Turbulencc and Dirty Blades. Proc. Of AWEA Conference，Windpower '99.21-23 June，Burlington，VT. 1999.