风力发电机组中太阳轮轴的疲劳分析

雷福祥等

摘要：风力发电机组中的太阳轮易发生疲劳破坏，影响整个齿轮箱的疲劳寿命。利用UG软件建立太阳轮轴的三维有限元模型，并通过ANSYS-workbench软件对轴进行静力学分析和结构疲劳分析，为疲劳寿命设计提供一种方法，以预测太阳轮轴的疲劳寿命。

关键词：风力发电机；齿轮箱；疲劳寿命；有限元分析

中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）04-0027-03

风电增速齿轮箱是风力发电机组的关键部件，它位于叶轮和发电机之间，将叶轮受风力作用旋转而产生的动力传递给发电机发电，同时将叶轮输入的较低转速转变为满足发电机所需的转速。因此，风电增速齿轮箱是一种受无规律变向载荷的风力作用及强阵风冲击的变载荷条件下工作的低速、重载、增速齿轮传动装置。太阳轮轴承接着周转轮系与定轴轮系的载荷变化，易发生疲劳破坏，从而影响整个齿轮箱的疲劳寿命。利用有限元法对太阳轮轴进行疲劳寿命分析，以预测太阳轮轴的疲劳寿命。

1 太阳轮轴载荷特点及三维建模

风力发电机工作时，由于与行星轮组成了周转轮系，所以太阳轮受到随时间周期性变化的交变载荷，从而在结构部位产生了交变应力，引起太阳轮轴的局部位置产生疲劳裂纹并扩展，最后引起太阳轮上的某个齿突然断裂。在传统的扭力轴疲劳寿命分析中，往往只考虑单个轴，不考虑与其相配合的其他零件上的受力的影响，导致结果并不十分准确。本文针对太阳轮与低速轴通过花键相互连接的特点，考虑太阳轮与花键轴相配合时作用力对双方疲劳破坏的影响，使得结果更加准确。

通过UG软件建立太阳轮轴的三维有限元模型（如图1所示），将X_T格式文件导入到ANSYS-workbench（AWB）中，进行网格划分。整个模型有

15 448个单元，28 166个节点，太阳轮和花键轴都采用合金钢制造。

2 额定工况下太阳轮轴静力学分析

2.1 太阳轴上受力及约束

太阳轮上所受的扭矩分别由与行星轮啮合的3个轮齿传入，根据风力机的额定功率为750 kW，可推算出3个轮齿上的受力分别为131 105 N；将其作用在太阳轮的3个轮齿上，方向为顺时针，低速轴右端轴肩作用逆时针方向扭矩，大小为46 200 N·m，加载重力。太阳轮与花键轴之间设置成bonded（绑定接触），太阳轮内壁和花键轴配合轴承的轴肩设为Cyliderical Support（圆柱面约束），只允许切向转动。太阳轮轴上的力及约束加载情况如图2所示。

2.2 太阳轴上静力学分析

利用有限元软件进行静力学分析计算可知，太阳轮上的最大应力（Von-Mises）为165 MPa，发生在太阳轮与轴肩的过渡圆角处，以及花键轴与轴肩的过渡圆角处，符合应力学规律。太阳轮与花键轴的应力及应变云图如图3—5所示。

根据太阳轮轴的应力云图分析可知，最大应力发生在齿轮与轴肩、花键齿与轴肩的过渡圆角处。所以通过相关的疲劳理论知识，根据静力学分析，可以进一步对太阳轮轴的疲劳寿命进行分析计算。

3 太阳轮轴的疲劳寿命分析

3.1 疲劳寿命分析相关理论

影响机械零件疲劳强度的因素很多，其中主要的有结构的尺寸与形状、表面状况、平均应力、环境介质及温度等。对于风力机中的零部件来说，影响其疲劳寿命的因素主要是载荷特性、零件状态及零件所采用材料的特性。

根据疲劳寿命理论，且考虑风力发电机的各种工况条件，计算出设计寿命为242 500英里。

3.2 太阳轮轴疲劳寿命分析

1） 通过Ansysworkbench软件进行太阳轮的疲劳分析，得出太阳轮轴的二轴应力指示（Biaxiality Indication）。单轴应力区域为0，双轴应力区域为1，纯剪切-1，最大应力发生在齿轮与轴肩的过渡圆角处。本文主要研究随机剪切载荷作用下的扭转疲劳寿命。太阳轮轴的双轴应力指示如图7所示。

2） 通过有限元软件自动进行雨流计算分析，输入相关参数，得到太阳轮轴的寿命、疲劳破坏、等效交变应力、安全系数的相关云图。本文中S—N曲线的最大寿命为1E6，无限寿命为1E6，零件最大和最先寿命均为1E6，认为在该疲劳寿命下不会发生疲劳破坏（如图8所示）。

Damage云图表示设计寿命与可用寿命的比值。当D>1时，说明零件发生疲劳破坏（如图9所示）。计算方法为：设计寿命242 500除以1E6得0.242 5。

安全系数（Safety Factor）表示零件或构件所用材料的失效应力与设计应力的比值（如图10所示）。由机械手册可知：轴类零件的安全系数应大于1.10，安全系数最小为0.52，发生在太阳轮轴肩段，所以这段应采用特殊的热处理，以满足安全系数的最低要求。初步分析是受到随机交变剪切载荷，以及尺寸效应、缺口效应、表面加工方法等影响。

4 结论

本文通过有限元软件，对风力发电机的关键部位零件——太阳轮轴进行疲劳寿命的分析计算，找到一种三维软件UG与Ansys联合分析的方法，预测了太阳轮轴的疲劳破坏，并提出改进方法，今后可对风力发电机整机的疲劳分析及故障预测进行深入研究。

参考文献

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Abstract： Sun gear is easy to get fatigue destroy in wind turbine generator， and influences the fatigue life of the whole gearbox. The article presents the establishment of 3D finite element model of sun axle by using UG software， and expounds the analysis of statics and structural fatigue by ANSYS-workbench software. It provides a method for the design of fatigue life in order to predict the fatigue life of sun axle.

Key words： wind generator； gearbox； fatigue life； finite element analysis