李強(qiáng)強(qiáng) 宋立彬 李 陽 王 強(qiáng)

（內(nèi)蒙古華電蒙東能源有限公司，通遼 028000）

某風(fēng)電場(chǎng)在役CCWE1500型陸上風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器防護(hù)罩兩端分別直接連接于發(fā)電機(jī)和齒輪箱本體。由于剛性連接的出廠設(shè)計(jì)安裝缺陷造成固定連接件頻繁斷裂，風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行和人員作業(yè)安全存在很大隱患。為保證機(jī)組的運(yùn)行安全性，防范風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)事故，避免設(shè)備損壞，提高作業(yè)人員安全系數(shù)和聯(lián)軸器的安全防護(hù)水平，預(yù)防絞碾、飛濺等事故的發(fā)生，確保傳動(dòng)系統(tǒng)工作環(huán)境的安全[1]，文章結(jié)合實(shí)際工況對(duì)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器防護(hù)罩及其固定方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元分析重點(diǎn)對(duì)其底座進(jìn)行仿真分析，提出解決方案的同時(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法予以驗(yàn)證并落地實(shí)施，取得了良好效果，達(dá)到了有效縮短設(shè)計(jì)時(shí)間成本和提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行安全時(shí)效性的目的。

1 研究背景

日常運(yùn)行檢修工作發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器防護(hù)罩存在3方面問題。一是聯(lián)軸器防護(hù)罩與發(fā)電機(jī)和齒輪箱直接剛性連接，無阻尼緩沖，防護(hù)罩的前后端隨著發(fā)電機(jī)及齒輪箱的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生共振、諧振，而異常軸向和徑向振動(dòng)極易造成防護(hù)罩前后連接件斷裂，引發(fā)聯(lián)軸器防護(hù)罩固定方式失效導(dǎo)致罩體“飛出”，影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行。二是風(fēng)電機(jī)組防護(hù)罩為非全封閉形式，存在防護(hù)不完全的問題，緊急剎車時(shí)產(chǎn)生的火花有外溢風(fēng)險(xiǎn)，易引起火災(zāi)。三是風(fēng)電機(jī)組防護(hù)罩通過兩側(cè)螺栓及連接件固定，罩體為水平安裝，整個(gè)罩體重量全部由連接件及螺栓承載，重量大不易拆裝，維護(hù)煩瑣不便捷。

針對(duì)存在的安全隱患問題，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造、更換安裝全封閉式易拆卸聯(lián)軸器防護(hù)罩，采用分體組合安裝方式，使底部支架承接罩體質(zhì)量，并固定于機(jī)組主機(jī)架。罩體組成部分采用螺栓和“快扣”相結(jié)合方式固定。防護(hù)罩設(shè)有各功能開口，因此傳感器、油管接頭等無須拆卸罩體即可實(shí)現(xiàn)檢查或更換。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)重點(diǎn)

本次對(duì)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器防護(hù)罩進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)，難點(diǎn)是增加固定于機(jī)組主機(jī)架的支撐座。初步計(jì)劃是利用4個(gè)角鋼支架托舉固定聯(lián)軸器防護(hù)罩，再將支架4個(gè)地腳直接固定在聯(lián)軸器正下方踏板平臺(tái)位置。然而，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)繪風(fēng)電機(jī)組可知，踏板為3 mm厚鍍鋅雪花板，尺寸為長(zhǎng)1 700 mm、寬900 mm，且下方?jīng)]有承重橫梁，同時(shí)聯(lián)軸器防護(hù)罩固定在踏板上無法滿足其靜應(yīng)力固定強(qiáng)度。為了使改造的聯(lián)軸器防護(hù)罩具有更安全穩(wěn)固的性能，保證有效的承載能力及強(qiáng)度，按自重3倍考慮選材、固定結(jié)構(gòu)及安裝方式，并采取在風(fēng)電機(jī)組主機(jī)架原有吊裝孔位安裝底座（加強(qiáng)穩(wěn)固承重橫梁）的方法進(jìn)行技術(shù)改造。

3 仿真分析

風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器防護(hù)罩問題未得到有效解決前，考慮電量損失等因素，風(fēng)電機(jī)組一直“帶病”運(yùn)行。為了縮短設(shè)計(jì)排產(chǎn)時(shí)間，提升技術(shù)改造實(shí)施的時(shí)效性，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方式，采用有限元分析方法，通過靜應(yīng)力分析明確重要部件（底座）的應(yīng)力水平和分布狀況[2]，用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)幾何和載荷工況等物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，排除不合理的設(shè)計(jì)，找到影響性能的關(guān)鍵參數(shù)，定性指導(dǎo)設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)成本，提升設(shè)計(jì)合理性和設(shè)計(jì)效率。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器防護(hù)罩底座為重要的承載機(jī)構(gòu)，主要承受保護(hù)罩的重量。整個(gè)底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 底座幾何結(jié)構(gòu)

底座主要由加強(qiáng)筋、法蘭連接板、主梁、橫梁和連接板組成，其中加強(qiáng)筋、法蘭連接板和連接板為一個(gè)焊接件，主梁和橫梁為另一個(gè)焊接件。最后，兩個(gè)焊接件通過法蘭利用螺栓螺母M10固定連接成一個(gè)底座整體。

3.2 有限元幾何模型

進(jìn)行有限元分析前，需要簡(jiǎn)化幾何模型。通過觀察結(jié)構(gòu)特征可以發(fā)現(xiàn)，底座由型材和鈑金件組成，厚度方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向，因此可以將幾何模型簡(jiǎn)化成面模型。有限元模型網(wǎng)格用殼單元來劃分。

3.3 工況分析

通過對(duì)底座的實(shí)際工況進(jìn)行分析可知，底座主要受到工件的重力作用，大小為1 800 N，質(zhì)量約為180 kg。作用面可以認(rèn)為均勻作用在主梁上表面，同時(shí)約束法蘭連接板的8個(gè)安裝孔。

3.4 材料設(shè)定

底座結(jié)構(gòu)所用的材料均為普通碳鋼，材料屬性如表1所示?？紤]靜力學(xué)分析主要為小變形線彈性問題，因此材料參數(shù)只需要輸入彈性模量、泊松比和密度。

表1 材料參數(shù)表

3.5 網(wǎng)格劃分

確定材料類型后，需要將結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的大型幾何體離散成有限數(shù)目的單元體[3]。模型使用具有中間節(jié)點(diǎn)的殼單元shell163進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小為41 mm，劃分類型自由網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為3 348，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為7 454。

3.6 裝配體接觸設(shè)定

底座為焊接件通過螺栓拼接。有限元法進(jìn)行離散后，各個(gè)單元中存在各自的物理量[4]，可通過建立螺栓模型來模擬分析。但是，分析過程比較煩瑣，因此不采用此種分析方法，而是簡(jiǎn)化方法用綁定約束進(jìn)行裝配體之間的連接。

3.7 求解設(shè)置

求解采用靜力學(xué)分析，求解器類型選擇FFEPlus（FFEPlus解算器使用高級(jí)矩陣圖重新排序技術(shù)，在處理復(fù)雜問題時(shí)效率更高），其余為默認(rèn)即可，最后點(diǎn)擊solve求解。

3.8 結(jié)果分析

求解完成，查看底座位移云圖如圖2所示，應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示，應(yīng)力云圖如圖4所示，安全系數(shù)如圖5所示。

圖2 底座位移云圖

圖3 底座應(yīng)變?cè)茍D

圖4 底座應(yīng)力云圖

圖5 底座安全系數(shù)

從位移云圖可以看出，底座符合結(jié)構(gòu)力學(xué)的變形規(guī)律，中間變形量最大，最大變形為0.14 mm。從應(yīng)變和應(yīng)力云圖可知，應(yīng)變和應(yīng)力云圖分布規(guī)律一致，應(yīng)變大的地方應(yīng)力也大。這是因?yàn)楦鶕?jù)材料力學(xué)中的應(yīng)力應(yīng)變公式σ=E·ε（其中σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變，E為材料的彈性模量），在材料一定，即E為常量的情況下，應(yīng)力和應(yīng)變成正比。

通過分析結(jié)果云圖可知，底座在1 800 N的重力靜載荷作用下，最大變形為0.14 mm，變形量很小，完全能夠滿足剛度設(shè)計(jì)的要求。最大線性應(yīng)變量為3.9×10-5，最大等效von Mises應(yīng)力為14 MPa，安全系數(shù)S約為20（即282與14的比值），遠(yuǎn)大于1.2，完全能夠滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.9 結(jié)論及建議

通過計(jì)算分析可知，風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器防護(hù)罩底座結(jié)構(gòu)在1 800 N的靜載荷下能夠滿足強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)要求。風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器防護(hù)罩底座結(jié)構(gòu)在所設(shè)條件工況下，安全系數(shù)S約為20，遠(yuǎn)大于強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，可以通過參數(shù)優(yōu)化或結(jié)構(gòu)拓?fù)溥M(jìn)行進(jìn)一步的輕量化設(shè)計(jì)。

4 產(chǎn)生效益

一方面，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方式，通過有限元分析方法，用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組改進(jìn)型聯(lián)軸器防護(hù)罩底座載荷工況進(jìn)行模擬，找到影響性能的關(guān)鍵參數(shù)，排除不合理的設(shè)計(jì)，替代漫長(zhǎng)的實(shí)踐驗(yàn)證階段，縮短設(shè)計(jì)排產(chǎn)周期，提高工作效率，減少設(shè)計(jì)成本。

另一方面，風(fēng)電機(jī)組改進(jìn)型聯(lián)軸器防護(hù)罩的固定方式非常穩(wěn)固。一是可以避免聯(lián)軸器罩體掉落砸壞聯(lián)軸器的風(fēng)險(xiǎn)；二是避免聯(lián)軸器罩體搭接剎車盤摩擦產(chǎn)生火花引起火災(zāi)；三是避免聯(lián)軸器罩體掉落隨運(yùn)轉(zhuǎn)聯(lián)軸器甩出砸壞風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙設(shè)備或砸傷附近作業(yè)人員；四是在進(jìn)入輪轂工作鎖定葉輪鎖、發(fā)電機(jī)對(duì)中等需要盤車作業(yè)時(shí)，大大提升了拆卸聯(lián)軸器罩體方面的便利性，節(jié)約了作業(yè)時(shí)間。

5 結(jié)語

以風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際存在的設(shè)備安全生產(chǎn)問題為抓手，利用有限元分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，縮短了設(shè)計(jì)排產(chǎn)周期，歷時(shí)3個(gè)月完成調(diào)研、實(shí)測(cè)、改進(jìn)、成熟、定型、排產(chǎn)、試裝、使用等各個(gè)階段，提升了技術(shù)改造實(shí)施的時(shí)效性。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果證明，輔以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)化改進(jìn)型聯(lián)軸器防護(hù)罩消除了在使用過程中產(chǎn)生的不安全因素[5]，完全匹配風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況，運(yùn)行效果良好，確保了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性與可靠性。