兩種軸承仿真方式對風機主機架計算的影響

陳 明

(華銳風電科技(集團)股份有限公司，北京 100086)

0 前言

能源的供給無疑是人類本世紀面臨的最大挑戰之一，而風能是一種清潔的可再生能源，全球風資源豐富，其中我國風電技術可開發量約5 500 GW。隨著我國對環境保護、能源短缺等問題的日益關注，尤其是全國霧霾問題的越來越突出，風電行業受到國家越來越多的關注和政策支持。對于大型機組，其質量的可靠性與成本的最低化顯得尤為重要，這也對風機部件的有限元計算提出了更高要求[1]。

主機架是風力發電機組中最關鍵和承載最復雜的部件之一，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證風電機組正常穩定運行的關鍵因素，是風力發電機組結構設計的重點和難點。對類似的復雜結構部件，有限元法越來越多地應用于風機部件強度分析中[2]。風電機組中的大部件損壞，很多部件都是與主機架連接的部件，如齒輪箱箱體、主軸承、力矩臂等，而這些部件的損傷，也是和主機架的安全性穩定性所相輔相成的，這也更說明了主機架安全穩定的重要性。

1 軸承對主機架計算分析的影響

風電機組的主軸，其功能是將扭矩載荷傳遞給齒輪箱以及發電機，將其他載荷傳遞給支撐結構主機架[3]。在實際風機故障中，主軸承損壞主要為滾子破損或保持架損壞，而對于主軸承損壞嚴重的情形下，主機架軸承安裝位置都不可避免的造成一定程度的損傷，甚至于需要重新返廠維修整機。在設計和選用軸承的過程中，需要對軸承的性能和壽命進行分析，以便及時改進設計，合理選型，提高風力發電機組的可靠性，避免失效，降低成本。

本文討論的軸承結構主要是雙排滾子軸承支撐結構。主軸承的結構形式以及與主機架的安裝配合形式如圖1所示。軸承為內外兩環，內部滾子為帶錐度的近圓柱體，內外兩環之間設有保持架結構，主要為了保持滾子能均勻勻速滾動。圖2 為主軸承3D結構示意圖。

圖1 主軸承結構圖

圖2 主軸承3D結構圖

2 主機架結構強度分析

本文采用三維有限元計算方法，按主機架的實際幾何特征建立模型。以便計算所得的結果能較好反映實際問題，并能更詳細和準確地反映真實應力的分布，得到不同位置的應力，從而為主機架的強度校核及改進主機架結構設計提供依據。

主機架材料一般是球墨鑄鐵，鑄造結構。采用三維軟件建立主機架的CAD模型，并在ANSYS模塊中進行有限元計算。使用的載荷是輪轂中心固定坐標系載荷，主機架有限元計算模型有必要對連接過渡段和主機架的主軸承進行建模。而在建模計算過程中分析發現，軸承建模方式的不同對主機架的應力計算結果有較大的影響，不同的工況相差5%至15%不等。

圖3中為了更好的展示三者連接的結構形式，主機架和主軸承都被隱藏了一半。軸承被簡化成僅有內外圈，軸承內的滾子使用ansys軟件的link180單元進行模擬，由于軸承滾子在軸承內始終處于受壓狀態而不承受任何的拉力，所以單元承載屬性被定義為只受壓不受拉的狀態。

圖3 主軸承結構簡化結構

3 雙列圓錐滾子軸承的不同模擬方法影響分析

在有限元計算中，圓錐滾子軸承的模擬通常采用簡化滾子的方式，即保持軸承內圈的構造，將滾子用幾根受壓不受拉的桿單元替代，同時軸承內外圈采用 solid187 單元，簡化模擬出了軸承只傳遞壓力的特點。目前，國內外風電廠家基本使用的這種建模方式建立軸承模型用于主機架的強度計算分析。

對模型加載彎矩載荷，并提取出模擬軸承滾子的link180桿單元的受力狀態云圖，如圖5和圖6所示。

圖5 桿單元受壓狀態云圖

圖6 受力最大的桿單元應力云圖

由圖5可以看出，雙排軸承受到彎矩作用時，每排軸承不是所有的滾子都受力且受到較大壓力的滾子數量只有約十幾個左右受力較大(本計算每排共有滾子104個)。同時可以看出，雙排滾子的受力區域是相互對應的，及內圈上半部分主要受力時，外圈下半部分主要受力，左右方向亦是如此。由圖6可以看出，用四個桿單元模擬的軸承滾子，只有最邊緣的第一和第二根桿單元受壓力，并且第一根桿單元承受了60%以上的載荷。依據軸承廠家對主軸承的滾子進行模擬計算，計算結果認為滾子在10 GPa以下的彎矩載荷作用下，軸承滾子表面的受力應該是基本均勻的，即四根桿單元所受的壓力相差百分比應該不大。而且軸承滾子安裝時會有較大的預緊力，能到幾百千牛，滾子與內外圈的接觸壓強能為1 500～2 000 MPa。所以，軸承在受到較大的彎矩狀態下，滾子與內外圈之間應該保持緊壓狀態，不會脫開。

結合國內外的計算方法和軸承滾子的實際接觸情況，本文把計算模型進行了改進，將模擬軸承滾子的四個桿單元的兩端節點進行了自由度耦合，即每四個節點進行一次耦合，以便使模擬軸承滾子的表面的四個節點之間建立起聯系。在風電行業的軸承計算中，這種軸承滾子模擬方法尚屬首次。計算結果如圖8和圖9所示。

圖7 桿單元受壓狀態云圖

圖8 受力最大的桿單元應力云圖

對比圖5和圖7可以看出，圖7中有更多的桿單元受到了壓力。而從圖8可以看出，受力最大的外側桿單元所受的壓力已經減少了一半左右，原來不受力的第三根桿單元也承受了10～15 MPa的壓力。改進后的模型，軸承滾子的受力范圍在軸承的軸向和周向都有增加。雖然依然是最外側的桿單元受力較大，但是整體看來，軸承滾子的受力情況趨于更均勻化了。軸承廠家在對軸承進行計算時，滾子表面的受力情況是按照均勻分布是計算的，這種方法的計算也更貼合軸承廠家的計算結果。

4 不同軸承模擬方法對主機架計算的影響

圖9為兩種不同軸承模擬方法的主機架計算應力結果。由圖9可以看出，兩個應力結果存在明顯的區別，使用沒有聯系的桿單元計算出來的主機架應力值要大于使用有聯系的桿單元的計算結果。出現這種情況的主要原因是：由于主機架前端軸承安裝位置的整體剛度存在著巨大的差別，同時載荷在向主機架后端傳導時的作用方式也存在差別。后者的作用方式，是在主機架前端圓環面端建立了相互聯系，向后端傳導載荷時也更均布一些，所以應力分布也更均勻一些。

圖9 不同軸承模擬方法的主機架計算應力結果

5 結束語

(1)主機架是風電機組的重要部件，必須保證主機架設計的結構強度和疲勞強度的安全，而計算結果可靠度與軸承建模密切相關。

(2)對雙排滾子軸承進行模擬時，使用link180受壓不受拉的桿單元模擬軸承滾子是可靠的，但是桿單元之間應建立聯系，以便更真實的模擬滾子表面均勻受力的情況。

(3)使用沒有聯系的桿單元模擬軸承滾子，主機架的計算結果會造成部分失真，影響對主機架強度的判斷。

(4)使用該計算模擬方法，可以真實模擬主機架的受力情況，從而減輕主機架重量約20%，可以節約風機的生產成本，提高風機的競爭力。

(5)風電作為清潔能源，生產過程卻對環境產生污染，優化風機結構能使得風電行業更好的節約資源，更好的保護環境，對整個風電行業的發展也有積極的引領作用。

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