蔣靜 張文斌

摘 要 有限元是用具有一定大小的單元對原來連續(xù)的物體力學(xué)模型進(jìn)行離散。這些單元僅在為數(shù)不多的節(jié)點上相連接，然后將等效力代替實際作用于單元的外力并施加在節(jié)點上。為每個單元選擇一個能夠表示單元位移分布規(guī)律的形函數(shù)，根據(jù)彈性力學(xué)理論中的變分原理建立單元節(jié)點力和位移之間的方程。最后把這種所有的單元聯(lián)立起來組成方程組（以節(jié)點位移為未知量），然后解這些方程組。本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主軸進(jìn)行了有限元分析，將建立的有限元模型部件進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析，得出主軸在載荷下的應(yīng)力分布規(guī)律和變形分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞 主軸零件;轉(zhuǎn)子強(qiáng)度;有限元;風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸承擔(dān)著增速齒輪箱傳遞過來的各種負(fù)載的作用，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為電能的重要部件，其設(shè)計安全性和合理性直接影響到發(fā)電機(jī)的性能。本文應(yīng)用工程計算和有限元分析相結(jié)合的方法介紹了發(fā)電機(jī)主軸的強(qiáng)度校核，能夠更加真實的模擬主軸的受力情況，對主軸的分析更為準(zhǔn)確。此次主要針對2.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主軸在額定和最高轉(zhuǎn)速工況下的剛強(qiáng)度進(jìn)行分析計算[1]。

1電機(jī)主軸零件的受力分析

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用雙深溝球軸承的支撐方式，轉(zhuǎn)子傳動端通過增速齒輪箱將轉(zhuǎn)矩傳遞給轉(zhuǎn)子主軸使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)子勵磁的共同作用下使定子產(chǎn)生電能輸出，在此過程中轉(zhuǎn)子受輸入扭矩、電磁矩、單邊磁拉力、安裝時傾斜五度自身重力的共同作用[2]。

1.1 計算分析的邊界條件

主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了降低網(wǎng)格的劃分難度、節(jié)約計算成本，在建立主軸系統(tǒng)有限元靜強(qiáng)度模型時，適當(dāng)?shù)暮喕幚砹四Ｐ?，對無關(guān)全局應(yīng)力分布的局部特征加以簡化。因此在建立CAD三維模型時，主軸系統(tǒng)模型應(yīng)該做適當(dāng)?shù)暮喕幚?，簡化的基本前提和原則是保證足夠的計算精度，并且對下一步的靜強(qiáng)度計算沒有太大影響，因此對主軸系統(tǒng)一些微小曲面、小的臺階等特征做簡化處理，然后將簡化后的CAD模型導(dǎo)入到ANSYS分析軟件[3]。同時，為方便工程計算和有限元分析，按圖紙裝配要求，以質(zhì)點形式將線圈、支撐環(huán)、壓板、集電環(huán)、半聯(lián)軸器等零件等效作用在主軸上，此次計算和分析的邊界條件如下：

額定工況：轉(zhuǎn)速1720 r/min、電磁扭矩14213953.5N·mm、傾斜5度時的重力加速度az = 9768mm2/s、ax = 855mm2/s、單邊磁拉力14442N（方向與重力加速度一致）;最高轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速2600r/min、傾斜5度是的重力加速度、轉(zhuǎn)子裝配體總重2050kg。

從轉(zhuǎn)子受力情況來看，額定工況為受力情況為最惡劣工況，最高轉(zhuǎn)速下主要受離心力影響，因此主要對額定工況進(jìn)行計算全面分析，最高轉(zhuǎn)速僅計算分析變形和強(qiáng)度情況。

1.2 主要材料屬性

主軸材料為16MnD，彈性模量：209000MPa、泊松比為0.3、屈服強(qiáng)度為295Mpa、抗扭模量G=8.07×1010 Pa。

1.3 計算和分析模型

2工程計算和有限元分析

2.1 主軸扭轉(zhuǎn)剛度計算

強(qiáng)度和剛度計算是軸類等傳動零件的主要指標(biāo);其中扭轉(zhuǎn)剛度（抗扭剛度）是以相對扭轉(zhuǎn)變形角度（即單位長度上的扭轉(zhuǎn)角）來表達(dá)，公式如下：

式中，為最大扭轉(zhuǎn)角;M為扭矩（N·m），;L為桿件長度（m）;G為抗扭截面模數(shù)（Pa）;I為抗扭慣性矩（m4），。

根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論，主軸的扭轉(zhuǎn)剛度通過扭轉(zhuǎn)角大小來衡量。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況可知，機(jī)組在額定工況條件下轉(zhuǎn)子主軸的扭矩最大，因此只分析邊界條件為額定工況條件下的主軸扭轉(zhuǎn)剛度即可。具體計算結(jié)果如表1。

2.2 主軸撓度及轉(zhuǎn)子變形有限元分析

由圖2可知，轉(zhuǎn)子主軸撓度最大值在距離主軸端位置1約1590mm處，其撓度值為0.056mm，小于感應(yīng)電機(jī)許用撓度值[y]=0.1δ=0.22（δ為定轉(zhuǎn)子氣隙值2.2mm），滿足設(shè)計要求。

由圖3、4可知，在額定工況下，轉(zhuǎn)子主軸主要受彎矩和扭矩作用，其最大變形發(fā)生在非傳動端主軸與鐵芯定位臺階處，變形為0.12mm;在最高轉(zhuǎn)速下，主軸主要受離心力作用，其最大變形發(fā)生在非傳動端主軸風(fēng)扇處，變形為0.06mm。

2.3 轉(zhuǎn)子主軸強(qiáng)度有限元分析

由圖5、6可知，在額定工況下，轉(zhuǎn)子主要受彎矩和扭矩作用，其最大應(yīng)力發(fā)生在傳動端主軸最小軸頸處，其值為112.5Mpa，小于主軸材料的屈服強(qiáng)度295Mpa;在最高轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子主軸主要受離心力作用，在轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)及線圈動慣量作用下，其最大應(yīng)力發(fā)生在主軸鐵芯段，其值為21.4Mpa，小于主軸材料的屈服強(qiáng)度295Mpa。

3結(jié)束語

通過上述計算分析，轉(zhuǎn)子剛強(qiáng)度分析計算主要結(jié)果如表2所示，由表可知，轉(zhuǎn)子剛強(qiáng)度均滿足設(shè)計要求。使用有限元分析計算可很能準(zhǔn)確分析風(fēng)力機(jī)主軸的強(qiáng)度，避免只用工程理論計算帶來的煩瑣、精度差、不能直觀地看出受力薄弱位置等情況[4]。所以，使用有限元分析計算和解決工程中各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)件載荷變形情況非常有必要，且能夠很好地解決工程理論計算方法的缺點，使分析的結(jié)果更準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

[1] 何玉林，韓德海.風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸的非線性接觸有限元分析[J].現(xiàn)代制造工程，2009（6）：61-64.

[2] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1995.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊（最新第五版）[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4] 劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程（機(jī)械篇）[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

作者簡介

蔣靜（1985-），女，四川廣安人;-學(xué)歷：研究生，職稱：工程師;現(xiàn)就職單位：東方電氣集團(tuán)東風(fēng)電機(jī)有限公司，研究方向：電機(jī)設(shè)計。