2兆瓦风力4发电机主轴参数化建模与有限元分析

2010-02-23郑甲红

陕西科技大学学报 2010年4期

郑甲红, 杜翠

(陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021)

0 引言

风力发电机主轴是传递载荷的主要部件.主轴不仅要承受叶片、轮毂的巨大重力，还要承受来自发电机的大扭矩，因此对主轴的性能有较高的要求.但是风力发电机主轴结构千差万别，为我们进行不同主轴单元的分析带来了困难.为此，本文提出了主轴单元有限元建模基本参数的概念，并建立了主轴单元通用有限元分析模型，对主轴单元通用有限元分析的方法进行了探索.本次分析中，还将轴承简化为拥有轴向和径向刚度的弹簧单元，完善了在主轴的传统分析中将轴承处采用完全约束，而忽略弹性支撑对主轴固有频率影响的做法.

1 主轴有限元参数化建模

为了得到典型的主轴模型，将模型的基本参数分为以下5个:主轴悬伸段平均直径Da,主轴支承段平均直径D1,主轴悬伸段长度L1,主轴支承段长度L2,主轴内孔平均直径d.

图1 主轴简化模型图2 轴承模型

2 轴承有限元建模

表1 材料的力学性能

在主轴的传统分析过程中，一般将轴承处采用完全约束，这种方法忽略了弹性支撑对主轴固有频率的影响.本次分析中，将轴承简化为拥有轴向和径向刚度的弹簧单元[1]，弹簧刚度根据轴承类型和尺寸来选取，具体分布如图2所示，可以证明轴承结合面在径向力作用下的位移可以用在其截面内4个均布的弹簧来表达[2].在ANSYS中用combin14[3]单元模拟弹簧，得到轴承的有限元模型.

3 主轴材料的力学性能及载荷

主轴所选用材料及其力学性能如表1所示,分析中主要考虑到的载荷种类及大小如表2所示.

表2 主轴载荷

注：轴向陀螺力、径向陀螺力、风载荷均是在额定风速为11 m/s风况下的大小.

4 静力分析

为了方便加载，将陀螺力分解成轴向和径向并在主轴前后端分别建立质量点，将叶片质量、轮毂质量、轴向陀螺力、风载荷、轮毂和叶片相对于前支承产生的力矩施加在前端质点上，将电机扭矩加在后端质点.为了限制主轴的移动，在图2的T5,T6,T7,T8处施加UX，UY,UZ方向的约束，将T1,T2,T3,T4处的所有自由度进行约束.加载后的模型如图3所示，节点位移如图4所示，等效应力如图5所示.

图3 加载模型图4 节点位移

模态阶数固有频率/Hz振型描述10.120 71一阶弯20.122 24一阶弯30.188 32扭振40.341 43阶弯50.342 812阶弯60.359 45盘轴向移动

对上述有限元模型进行静力分析，得到如下结果：图4显示主轴悬伸端变形较大，最大变形发生在主轴与轮毂连接的法兰盘处，即DMX=0.127E-08(m) .从等效应力云图可见，主轴前支承处和法兰盘的应力较大，最大应力出现在前支承处编号为814的节点，SMX=100 MPa，该值远小于主轴所用材料的屈服强度，因此主轴强度符合要求.图6所示是危险截面的位移-应力曲线 .

图5 等效应力云图图6 危险截面应力曲线

5 模态分析

为了保证风机在各种复杂外界载荷情况下能够正常工作，主轴系统具有良好的动态特性也是很重要的，因此对主轴系统进行动力学研究有着非常重要的意义.

本文用ANSYS进行模态分析时，选用的是SUBSPACE求解模块，即子空间迭代法[4]，它的特点是能充分利用刚度矩阵[K]、质量矩阵[M]的稀疏带状性质，且能一次求出前几阶模态最大的广义特征值和对应的特征向量.

对于巨型风力发电机的主轴系统，只需研究低阶固有频率和振型.一、二阶振型如图7、图8所示，前6阶固有频率如表3所示.表4对模型简化前后的结果进行了比较，从中可以看出，两种模型的固有频率基本一致，尤其是二阶固有频率与原模型固有频率很接近，其他方面虽有差异，但也在同一数量级上，结果证明了简化模型的正确性，尤其对于模态分析更有应用价值.