基于nCode某水电站桥机减速机输出轴疲劳寿命分析

何中伟，舒崚峰，钱 瑭

（中国电建华东勘测设计研究院，浙江 杭州311122）

随着水电行业的蓬勃发展以及国内水电站规模的扩张，对水电站专用桥机的载荷和性能要求也逐步提高[1]，因此越来越多人投入到桥机结构应力及疲劳分析研究中，其中又以减速器研究居多。刘海全[2]在论文中运用Ansys自带Fatig工具箱对减速器输出轴进行疲劳分析，但其采用的工具箱过于简化，尤其在荷载序列方面，只有单向受力，而实际减速机能够双向减速；卢黎明等[3]采用基于nCode技术对滚动轴承进行疲劳分析，发现圆柱滚子轴承和滚滑轴承的圆柱滚子与内圈接触面的损伤比圆柱滚子与外圈接触面的损伤更严重；李光尚等[4]在论文中提到，Gerber模型相较于其他模型，能更有效模拟韧性材料疲劳寿命。本文将针对某水电站桥机减速机输出轴断裂问题，基于nCode平台进行疲劳寿命分析。

1 模型建立

1.1 模型参数

某水电站桥机荷载为210t/50t，所用减速机型号SNT-160，扭矩为325N·m，输入轴转速1000r/min，输出轴转速14r/min。减速机输出轴具体参数如表1。

建立减速机输出轴三维模型如图1所示。

1.2 材料参数

输出轴材料43CrMo，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3，屈服强度为930MPa，抗拉强度为 1081MPa，密度为 7.8×103kg/m3，许用应力为790MPa。可查的该材料的S-N曲线如图2所示。

表1 减速机输出轴参数

图1 减速机输出轴三维模型

2 有限元理论

Gerber理论[5]能够对韧性材料的拉伸平均应力提供很好的拟合：

图2 材料S-N曲线

式中：σa为交变应力；σ-1为主应力；σm为平均应力；σb为许用应力。

应变疲劳[6]公式：

式中：σf为疲劳强度系数，其值近似等价于静态拉伸断裂强度；b为疲劳强度值；εf为疲劳塑性系数；c为疲劳塑性指数。

3 有限元仿真

3.1 网格划分

针对该减速机输出轴进行网格划分，输出结果如图3所示，其中节点数23652个，单元数9562个。

图3 减速机输出轴网格划分

3.2 约束和载荷

根据现场运行工况对减速机输出轴施加约束和载荷，具体如下：

（1）对轴承施加Cylindrical Support，约束径向和轴向运动，保证周向自由运动；

（2）轴肩处设置Fix Support，限制整个轴轴向运动；

（3）齿轮处施加旋转扭矩，大小为325N·m；

图4 施加的约束和载荷

（4）键槽处施加固定载荷，方向与齿轮处相反，扭矩保证与齿轮处载荷相同。

3.3 定义时间荷载序列

时间荷载由现场工况决定，其值决定了疲劳分析结果，针对该水电站桥机现场状况，减速机需要进行双向工作，因此定义时间荷载为峰谷值，如图5所示。

图5 时间荷载序列

4 结果分析

4.1 应力变形分析

对上述减速机输出轴进行仿真计算，从图6中可以看出，等效应力集中于前两节轴根处，又以第二轴根处值最大，为735.86MPa；而键槽两侧根部应力最大值为663.02MPa，两侧最大值皆小于该材料的最大许用应力790MPa，因此该轴出现断裂不是应力过大造成。

图6 减速机输出轴等效应力云图（Pa）

从图7可以看出，减速机输出轴最大变形量出现在键槽前端，为1.3871mm，因为该处是整个轴的受力点；从轴前端到键槽根部逐渐减小，因为轴承约束，后方基本不发生变形。

图7 减速机输出轴变形云图（m）

4.2 疲劳分析

基于nCode平台进行减速机输出轴疲劳寿命分析，从图8中可以很明显看出，减速机输出轴绝大部分处于安全区域，但靠近键槽处的根部，为明显的疲劳脆弱区，极易受到损伤。

图9为减速机输出轴的安全系数云图，一般而言，当安全系数＞1的时候，结构能够保证使用到设计寿命，而从图中可以清晰看到在键槽周边的安全系数接近0.3，远远小于设计所需值1，表明此处在正常工况下，由于荷载反复极易疲劳失效，产生扭曲，严重导致断裂。

图8 减速机输出轴疲劳寿命云图

图9 减速机输出轴安全系数云图

4.3 试验对比

在某水电站现场进行真机试验，采用此结构作为减速机输出轴，经过长期使用，如图10，发现轴发生偏移，经过拆卸后证实在键槽根部的两侧出现明显裂纹，与上述仿真结果保持一致，证明该轴确实由于疲劳失效导致断裂。

图10 减速机输出轴现场照片

5 结论和建议

5.1 结论

通过构建某水电站减速机输出轴三维模型进行数值模拟仿真，并与现场试验进行对比，得出如下结论：

（1）该减速机输出轴在键槽根部出现明显应力集中现象，但在该材料许用应力范围内，强度满足要求；而该轴头部出现最大位移为1.3871mm，属于合理变形。

（2）经疲劳寿命分析，该减速机键槽根部为脆弱区域，容宜发生断裂；同时根据安全系数云图可知键槽周边安全系数小于设计要求值1，极易出现疲劳失效，导致输出轴变形甚至断裂。

（3）通过现场试验可知，减速机输出轴在经过长期使用后，键槽根部两侧发生断裂，与数值模拟分析结果一致，验证该轴由于疲劳失效导致断裂。

5.2 建议与解决方法

针对该减速机输出轴键槽根部断裂现象，提出以下解决方法：

（1）去除键槽，键槽连接的缺点就是无法承受重型载荷，所以针对大型桥机转动时，不宜采用键槽连接。

（2）采用胀套连接，这是新型的过盈连接方式，其连接件制造简单，且拆装方便，强度高且具有过载保护能力，不易断裂。