摘要：隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對電力的需求量也越來越大，其中風(fēng)力發(fā)電是一種綠色、環(huán)保的發(fā)電方式，在發(fā)電過程中不會造成能源消耗。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備對風(fēng)力發(fā)電效率具有至關(guān)重要的影響，現(xiàn)分析了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的工作原理和控制系統(tǒng)組成，利用有限元仿真軟件，對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的電機(jī)固定支座進(jìn)行了力學(xué)仿真分析，為今后風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電設(shè)備;力學(xué)仿真;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備

1.1 ? ?風(fēng)力發(fā)電設(shè)備工作原理

風(fēng)力發(fā)電原理與傳統(tǒng)能源發(fā)電原理有所不同，它主要是利用風(fēng)能帶動葉片轉(zhuǎn)動，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電的功率取決于工作現(xiàn)場風(fēng)量和風(fēng)速的大小，風(fēng)量越大，發(fā)電功率越大。與此同時(shí)，發(fā)電效率還和發(fā)電設(shè)備旋轉(zhuǎn)葉片的結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系，科學(xué)合理的旋轉(zhuǎn)葉片設(shè)計(jì)能夠有效提高風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的工作效率[1]。

1.2 ? ?風(fēng)力發(fā)電設(shè)備控制系統(tǒng)的組成

在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備內(nèi)部有一個(gè)控制系統(tǒng)，里面安裝有各種類型的信息設(shè)備，主要包括計(jì)算機(jī)、電路元件、控制器以及傳感器等。計(jì)算機(jī)的功能是設(shè)定相關(guān)參數(shù);電路元件負(fù)責(zé)電路的運(yùn)行和停止，同時(shí)還可以對故障電路進(jìn)行監(jiān)測和維修;控制器是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備控制系統(tǒng)的核心元件，其功能是確定葉片是否旋轉(zhuǎn)，是否正常進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，可用于控制葉片轉(zhuǎn)動的開啟和停止[2]。

2 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電機(jī)固定支座的物理化模型

2.1 ? ?三維模型的建立

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，其中電機(jī)固定支座起到固定和支撐電機(jī)的作用，對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要影響。本文主要以應(yīng)用最為普遍的U型電機(jī)固定支座為例進(jìn)行分析，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電機(jī)在固定支座的作用下，固定在平面上，固定支座上設(shè)計(jì)有螺栓孔與電機(jī)進(jìn)行連接。本文主要考慮U型固定支座的靜力分布情況，考慮到計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算時(shí)間的限制，對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電機(jī)固定支座不必要的部分進(jìn)行了簡化，采用SolidWorks三維建模軟件，建立電機(jī)固定支座模型。

2.2 ? ?三維模型的網(wǎng)格劃分

由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電機(jī)固定支座的模型較為規(guī)則，本文主要采用Workbench自帶的meshing網(wǎng)格劃分工具，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完成以后，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)可知，劃分的網(wǎng)格數(shù)為487 596，網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。

3 邊界條件的設(shè)置及有限元求解

3.1 ? ?邊界條件的設(shè)置

設(shè)定風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電機(jī)重量為1 500 kg，電機(jī)固定支座重量為150 kg，根據(jù)地球的萬有引力數(shù)據(jù)，可以得出作用在導(dǎo)軌上的載荷為16 500 N，固定支座剛度為0.78 kN/mm，固定支座到支撐平面的距離為10 mm，此距離用作鋪設(shè)減震緩沖棉，固定支座材料為Q235鋼，設(shè)固定支座的底部接觸面為固定面。

3.2 ? ?固定支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的仿真結(jié)果分析

邊界條件設(shè)置完成后，對其進(jìn)行有限元仿真求解，當(dāng)載荷為16 500 N時(shí)，固定支座的應(yīng)力分布云圖如圖2所示。

由圖2可知，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電機(jī)固定支座的最大應(yīng)力為188.23 MPa，最大應(yīng)力分布在固定支座的折彎處，最小應(yīng)力分布在固定支座與地面的接觸面，盡管此時(shí)的最大應(yīng)力在最大屈服強(qiáng)度以下，但其數(shù)值相對較大，如果風(fēng)力發(fā)電設(shè)備長時(shí)間處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，容易使固定支座磨損和斷裂。

3.3 ? ?固定支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的仿真結(jié)果分析

為了進(jìn)一步提高固定支座的力學(xué)性能，將固定螺栓孔的數(shù)量優(yōu)化為6個(gè)，并增加豎板的厚度。優(yōu)化完成后對其進(jìn)行有限元仿真求解，當(dāng)載荷為16 500 N時(shí)，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電機(jī)固定支座的應(yīng)力分布云圖如圖3所示，變形分布情況如圖4所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電機(jī)固定支座的最大應(yīng)力為156.28 MPa，最大應(yīng)力分布在電機(jī)與固定支座連接處，最小應(yīng)力分布在固定支座下底面中心處，與優(yōu)化前相比，此時(shí)最大應(yīng)力明顯降低，可以保證風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電機(jī)固定支座最大變形量約為0.076 mm，最大變形分布在螺塞連接處，最小變形分布在下底面中心處，與優(yōu)化前相比較，此時(shí)的最大變形量也顯著降低，不會引起風(fēng)力發(fā)電設(shè)備振動，能夠保證風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的正常工作。

4 結(jié)語

本文通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)加厚風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電機(jī)固定支座的豎板厚度，增加底部螺栓孔的數(shù)量，可以降低固定支座的最大應(yīng)力和最大變形量，有利于保證風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孫吾波.風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工文摘，2016（3）：52-54.

[2] 湯志強(qiáng).風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)導(dǎo)報(bào)，2013（17）：269-270.

收稿日期：2020-05-07

作者簡介：李天龍（1989—），男，河北蔚縣人，技術(shù)員，研究方向：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)維。