基于S4WT的主轴疲劳分析

包洪兵

摘  要：主轴作为大型风力机主要的传力部件，其安全性能对整机至关重要。传统的分析方法采用轮毂中心处的载荷对主轴强度进行静态分析，但由于传动链的动力学特性，传统的分析方法存在不足。因此该文采用S4WT软件，仿真传动链动力学特性，得到主轴在动态过程中的受力情况，同时进行传动链其他零部件力学参数对主轴疲劳强度的影响分析。分析结果表明主轴疲劳寿命受到整个传动链各零部件力学参数的影响，传统的分析方法存在不足，需要进行整个传动链的动力学分析。S4WT软件在传动链动力学分析上有较好的实用价值，能得到合理的结果。

关键词：传动链;主轴;S4WT

中图分类号：TH12              文献标志码：A

0 引言

风力机发展偏向于大型化设计，从而使风力机的零部件柔性增加，长时间在出现摆振和颤振的环境中运行，增加了风力机的疲劳载荷。同时GL规范2010明确指出需要对风力机进行动力学分析，分析动力学对载荷产生的影响，为风力机的设计和改进提供理论支持。

主轴传递叶轮捕获的风能其寿命需要满足风力机20年设计要求。受到的载荷主要从轮毂传递而来。但整个传递链动力学特性影响着载荷的传递。传统的分析方法一般不考虑动力学特性，采用静力平衡方程进行静力学分析，得到沿主轴轴线的力与力矩的分布，从而可以进一步分析出主轴整体的应力分布。

该文采用S4WT软件对双馈单轴承风力机进行分析。分析轴承等参数变化的情况下对主轴受力的影响，并与传统分析结果进行比较，结果表明要保证主轴安全，需要进行动力学分析，传动的分析结果存在很大不足。

1 风力机模型

该文以双馈单轴承风力机为例进行主轴分析，其基本参数见表1。主轴一端连接轮毂，另一端连接齿轮箱。把轮毂处得到的风能传递到齿轮箱上，同时轮毂上的力由主轴传递给主轴承和齿轮箱。风力机在S4WT中的模型如图1所示。

在S4WT中，叶片、塔架主轴等采用梁单元，轴承采用Bush和Hinge单元，底座采用超单元。风力机采用的坐标系为轮毂中心坐标系，其X轴指向主轴，Z轴垂直向上，符合右手螺旋。在软件中给定轴承的刚度、阻尼等，同时该文模拟了在风速为10.2 m/s时正常发电情况，此时采用湍流风模型，其风剪切为0.2，偏航角度设为0°，同时模拟风加载后的600 s。由軟件运行结果可知在轮毂中心处的载荷，如图2～图7所示。主轴传力形式简化为图8所示，其中a为轮毂中心O点到主轴承中心O1点的距离，b为主轴承中心O1点到主轴与齿轮箱连接处O2点的距离。根据静力平衡方程，可获得O1，O2两点对主轴的支反力。

O1处的支反力：

O2处的支反力：

式（1），式（2）中FX，FY，FZ，MX，MY，MZ为轮毂中心处的载荷，载荷时间历程曲线如图2～图7所示，a、b为图8中的参数，该文风力机a=1864.5 mm，b=1933.5 mm。

同时S4WT软件给出了O1与O2处的载荷时间历程。

2 疲劳寿命分析

该文对O2处，即齿轮箱输入处的载荷进行分析，采用雨流计数法进行雨流，同时根据式（3）得到等效疲劳载荷

式（3）中Si为FXo2，FYo2，FZo2，MXo2中某个量雨流后的力或力矩的范围值，ni为相应的周期数，从而根据式（3）得到该力在载荷周期数为1e7时的等效疲劳载荷。其中m为材料S-N曲线的斜率。

2.1 根据静力平衡进行寿命分析

根据式（2）以及简化的雨流计数法，并根据式（3）得到O2处在20年寿命下的等效疲劳载荷（等效周期为1e7），其中假设该工况的疲劳载荷频率为0.1136145。

表2中，由于主轴承为止推轴承，推力Fx由主轴承传递到底座上，齿轮箱连接处无推力，即FXo2=0。

2.2 采用S4WT结果进行寿命分析

根据S4WT软件直接获得O2处的载荷谱，其中FXo2相对于FYo2，FZo2是小量，不予考虑，MYo2，MZo2相对于MXo2是小量，不予考虑。直接对获得的载荷谱进行雨流，并根据式（3）得到O2处的等效疲劳载荷，具体值见表3。

对表2和表3进行比较，由S4WT直接得到的载荷的等效疲劳载荷比静力分析方法偏大，比值见表4。

由表4可知，考虑动力学时，O2处的支反力比静态分析结果偏大11%左右，扭矩相差不大。主轴受到的应力主要由Myz（My与Mz合力）引起，因此判断主轴的安全在该文中主要考察FYo2和FZo2。由表4可知，等效疲劳载荷考虑动力学时比静态分析扩大了11%。疲劳寿命降低了1.11????m。该文中主轴材料为42CrMoA锻造而成，一般取m=10，因此主轴的寿命降低了2.84。

3 结论

主轴作为风力机重要的零部件，其寿命与其他部件的动力学特性密切相关，同时采用传统的静态分析方法获得的载荷进行主轴设计，往往不满足实际需要。因此需要考虑根据整机动力学特性进行实时瞬态响应分析，并且整机动力学响应与每个部件的参数密切相关，因此分析难度较大，需要借助相关的软件，S4WT软件可以较好地模拟和分析整机动力学特性，实现瞬态分析、模态分析、极限分析和疲劳分析等。

参考文献

[1]Wright AD.Modern Control Design for Flexible Wind Turbines[R].National Renewable Energy Laboratory，Golden，Colorado.July 2004.

[2]杜静，周宏丽.风力发电机主轴结构强度分析[J].现代科学仪器，2011（5）：1.

[3]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京：科学出版社，2019.