黃文怡，梁波，孫傳宗

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.大慶 龍江風(fēng)電有限責(zé)任公司；3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)）

風(fēng)能是現(xiàn)今社會(huì)較為重要的一種可再生綠色能源，對(duì)于改善能源問(wèn)題起著良好的作用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)電場(chǎng)的重要設(shè)備，底盤(pán)、軸承座、偏航軸承齒輪等主要承載機(jī)構(gòu)由于長(zhǎng)期在極端載荷或循環(huán)載荷作用下，容易導(dǎo)致極限破壞、疲勞破壞等安全隱患。因此，對(duì)其進(jìn)行故障分析及改善研究有著重要的意義[1]。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組底盤(pán)故障分析

經(jīng)由對(duì)1.5 MW 電變槳距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，檢查了底盤(pán)，軸承座，偏航軸承齒輪等主要承力部件油漆表面和本體的外觀(guān)，研究探討了該機(jī)組出現(xiàn)故障破壞的原因，發(fā)現(xiàn)了機(jī)組主要承力部件可能存在的安全隱患。

經(jīng)檢查可以看到：

（1）輪轂油漆表面外觀(guān)完好，葉根凸臺(tái)和與主軸連接凸臺(tái)等易發(fā)生應(yīng)力集中位置處未見(jiàn)明顯裂紋；

（2）主軸油漆表面較好，本體表面外觀(guān)完好，前端大圓角處表面光滑，過(guò)渡均勻；

（3）底盤(pán)主體油漆表面外觀(guān)較好，與軸承座接觸表面未見(jiàn)明顯滑動(dòng)；

（4）偏航軸承齒輪伴有至少4 個(gè)輪齒斷裂，最大斷裂部分達(dá)到一半齒厚，斷裂面外表粗糙，手觸如碎沙劃痕感。

該機(jī)組除底盤(pán)與軸承座連接區(qū)域外，其他主要承力部件油漆表面和本體外觀(guān)較好，初步判斷其受力狀態(tài)較好。油漆表面出現(xiàn)明顯裂紋的底盤(pán)與軸承座連接區(qū)域，初步判定為外載荷較大，該區(qū)域剛度梯度較大導(dǎo)致，維持現(xiàn)狀使用存在疲勞或瞬間斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 底盤(pán)與軸承座連接附近變壁厚處照片F(xiàn)ig.1 Picture of chassis and bearing seat connection near thickness

2 更改螺栓分布方案分析

更改螺栓分布方案的校驗(yàn)分析基于有限元軟件，采用全模型結(jié)合子模型方法提取底盤(pán)危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力水平，利用多軸疲勞算法和雙線(xiàn)性應(yīng)力特征提取方法對(duì)1.5 MW 機(jī)組底盤(pán)局部危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行疲勞壽命校驗(yàn)。

2.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

為降低底盤(pán)局部危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)力峰值，提高該區(qū)域疲勞壽命，采用釋放順風(fēng)向最后一排螺栓的修改方案，以利于降低危險(xiǎn)區(qū)域的剛度梯度，提高強(qiáng)度，同時(shí)將順風(fēng)向最前端外側(cè)螺栓更改為彈性銷(xiāo)，目的是提高軸承座與底盤(pán)接觸面的抗剪能力。更改方案圖例見(jiàn)圖2。

圖2 修改方案圖例Fig.2 Legend of the modified project

2.2 有限元模型

底盤(pán)的有限元全模型包括：底盤(pán)，軸承座，齒輪箱支座，偏航軸承及塔架、墊圈三維模型，其中底盤(pán)、軸承座、齒輪箱支座、偏航及塔架、墊圈均采用10 節(jié)點(diǎn)4 面體單元分網(wǎng)。主軸、齒輪箱假體以及連接螺栓和彈性銷(xiāo)采用2 節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧?。底盤(pán)與軸承座之間采用標(biāo)準(zhǔn)3 組M36 螺栓建立連接，底盤(pán)與偏航軸承以及底盤(pán)與齒輪箱支座之間采用共節(jié)點(diǎn)綁定約束建立連接。主軸與軸承座采用MPC 約束建立連接。輪轂中心處建立節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)與主軸前端節(jié)點(diǎn)通過(guò)2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧⑦B接，截面直徑以輪轂直徑計(jì)。有限元模型見(jiàn)圖3。單元類(lèi)型及材料牌號(hào)見(jiàn)表1，各部件連接方式見(jiàn)表2。

子結(jié)構(gòu)的有限元模型：根據(jù)底盤(pán)受力狀態(tài)確定底盤(pán)與軸承座連接區(qū)域后端為重點(diǎn)校驗(yàn)區(qū)域，子結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖4。有限元采用10 節(jié)點(diǎn)4 面體分網(wǎng)。

圖3 底盤(pán)有限元模型及載荷約束Fig.3 Finite element model and load constraint for chassis

圖4 子結(jié)構(gòu)有限元模型及載荷約束Fig.4 Finite element model and load constraint for substructure

2.3 邊界條件設(shè)置

載荷邊界：采用有限元方法計(jì)算底盤(pán)的疲勞強(qiáng)度，為引入螺栓連接非線(xiàn)性因素，以正、負(fù)雙線(xiàn)性加載方法計(jì)算準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力值，加載位置如圖3 所示，加載值見(jiàn)表3。各個(gè)工況分析分兩個(gè)子步完成，第一子步執(zhí)行預(yù)緊力分析，第二子步執(zhí)行包含外載荷邊界的靜強(qiáng)度分析。

位移邊界：選擇塔筒假體下端截面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全位移約束，如圖3 所示。

坐標(biāo)系：與輪轂中心載荷數(shù)據(jù)引用的坐標(biāo)系相同。

表1 單元類(lèi)型及材料牌號(hào)Table 1 Unit types and materials

表2 部件連接方式Table 2 Attended mode of parts

表3 載荷數(shù)值表Table 3 Numerical table of load

2.4 材料性能

分析涉及的材料機(jī)械性能如表4 所示。

表4 材料機(jī)械性能Table 4 Mechanical performance of material

2.5 計(jì)算方法

分析中選用牛頓-拉夫遜迭代算法，自適應(yīng)增量步長(zhǎng)進(jìn)行求解計(jì)算。

3 疲勞強(qiáng)度計(jì)算

3.1 計(jì)算S/N 曲線(xiàn)數(shù)據(jù)

底盤(pán)的合成S/N 曲線(xiàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 合成S/N 曲線(xiàn)數(shù)據(jù)Table 5 Synthesis of S/N curve data

3.2 載荷歷程

為引入螺栓連接非線(xiàn)性特點(diǎn)，疲勞分析中將載荷時(shí)間歷程分解為正、負(fù)兩種子歷程，與準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析結(jié)果組合應(yīng)用。分解圖例見(jiàn)圖5。

圖5 時(shí)間歷程分解圖例Fig.5 Decomposition of illustrations to time process

3.3 疲勞分析設(shè)置

依次將多組準(zhǔn)靜態(tài)分析結(jié)果，S/N 曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，載荷時(shí)間歷程及工況頻率數(shù)據(jù)導(dǎo)入至疲勞分析軟件中，并匹配相應(yīng)載荷歷程與準(zhǔn)靜態(tài)有限元結(jié)果完成導(dǎo)入操作。疲勞分析以最大主應(yīng)力作為計(jì)算應(yīng)力，采用帶有Goodman 平均應(yīng)力修正的多軸關(guān)鍵平面法執(zhí)行底盤(pán)疲勞強(qiáng)度校核?？紤]分析結(jié)果的經(jīng)濟(jì)性和有效性，選取準(zhǔn)靜態(tài)分析中呈現(xiàn)高應(yīng)力狀態(tài)的局部區(qū)域和主要的圓角特征作為本次分析的重點(diǎn)校核區(qū)域。

3.4 疲勞計(jì)算結(jié)果

由疲勞計(jì)算軟件得到的底盤(pán)疲勞壽命為83.8年，底盤(pán)疲勞壽命（對(duì)數(shù)壽命）分布云圖見(jiàn)圖6。

根據(jù)要求，底盤(pán)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)由疲勞載荷引起的總損傷度須小于1，即：

D＜1

式中：D—結(jié)構(gòu)件總的疲勞損傷度

由計(jì)算結(jié)果得到：在設(shè)計(jì)疲勞工況載荷作用下，底盤(pán)的最大損傷度為0.238，小于1。

綜上所述，采用分布螺栓修改方案的底盤(pán)滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中底盤(pán)、軸承座、偏航軸承齒輪等主要承力部件是其重要的組成部分，比較容易產(chǎn)生疲勞破壞。對(duì)于由底盤(pán)局部危險(xiǎn)區(qū)域附近的剛度變化過(guò)大，在極端載荷或者循環(huán)載荷作用下導(dǎo)致了極限破壞、疲勞破壞或者組合形式的破壞，提出了更改螺栓方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)疲勞強(qiáng)度計(jì)算該方案滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

［1］Luisa F V，Aníbal Reones，Jose R，et al.Angular Resampling for Vibration Analysis in Wind Turbines Under Non -linear Speed Fluctuation ［J］.Mechanical Systems and Signal，2011，25（6）：2157-2168.

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