大型風電機組主軸承仿真方法的改進

陳明，王倩 ，李力森

(1.華銳風電科技(集團)股份有限公司，北京 100086；2.上海綠色環保能源有限公司，上海 200433)

隨風力發電技術的發展，深遠海風力發電已成為風電行業的主要發展方向。深遠海作業施工困難且后期維護成本高，對風電機組整體可靠性提出了較高的要求。軸承作為風電機組中傳遞載荷、偏航對風的重要零部件，其可靠性尤為重要。風力發電機組用軸承主要有傳遞載荷的主軸承、用于偏航對風的偏航軸承和葉片根部的變槳軸承。主軸承是風力發電機組中最關鍵及承載最復雜的零部件之一，其可靠性和穩定性是保證風電機組長期穩定運行(不少于20年)的關鍵因素。針對需要應對惡劣工況、高可靠性、長壽命以及經濟性的要求，主軸承設計技術復雜，而相關風電應用技術發展時間短，對風電主軸承的研究相對較少，故有必要建立模型對軸承運行過程中的載荷分布情況進行分析[1-5]。

1 風電機組主軸承結構

風電機組主軸承結構主要有雙排滾子、雙排球、調心滾子等，關于風電軸承仿真計算的研究較少。在此以某3 MW風電機組用雙列圓錐滾子軸承為例進行仿真分析。其主要結構參數：外徑為2 670 mm，內徑為2 200 mm，寬度為340 mm，滾子個數為192，滾子直徑為67.8 mm，滾子長度為108 mm。主軸承安裝位置示意圖如圖1所示，主軸承內外圈分別與風電機組的主機架和過渡段連接。

1—主軸承；2—齒輪箱凸緣；3—過渡段；4—主機架；5—葉輪鎖緊環；6—齒輪箱伸出軸

2 傳統仿真方法

國內外對大型風電機組主軸承的仿真方法主要有2種：1)使用鉸接(joint)單元模擬軸承滾子使內外圈建立聯系，該模型設置簡單，計算易收斂，適用于簡單快速且對結果要求較低的計算;2)使用桿單元模擬滾子,模型保留軸承內外圈，該模型計算速度快，可分析滾子受力情況，但模型收斂性較差。采用桿單元也是目前業界內較為普遍的仿真方法[6-8]。

2.1 建模

以桿單元模擬為例建立模型，該模型中包括輪轂、主機架、主軸承、偏航軸承、過渡段、部分塔筒等部件。其三維模型如圖2所示。采用桿單元模擬滾子，每個滾子用4根桿單元模擬，8根為一排，桿單元共768根，如圖3所示。

圖2 三維模型

圖3 桿單元模擬滾子示意圖

內圈與過渡段、外圈與主機架、過渡段與輪轂以及偏航軸承與塔筒頂部之間均為綁定接觸，接觸單元為CONTA170與TRRGE170單元。內外圈之間建立桿單元模擬軸承滾子，采用LINK180單元，考慮到滾子只承受壓應力，桿單元接觸屬性設置為只承壓不承拉，以便模擬滾子與內外圈之間可能出現的分離情況。內外圈與過渡段、偏航軸承與塔筒頂部采用六面體單元進行網格劃分，主機架以及其他附屬零部件采用四面體單元進行網格劃分。因整個模型網格數目較多，為便于觀察只顯示了關鍵部件的網格劃分，如圖4所示。

圖4 網格劃分

模型中主機架和過渡段材料均為QT400鑄造件，其他結構及附屬部件材料為結構鋼Q345，軸承內外圈材料為軸承鋼GCr15，材料參數見表1。桿單元截面積根據滾子剛度計算，當模擬軸承滾子桿單元剛性足夠大時計算結果會趨于穩定，在此所用計算模型桿單元截面積為200 mm2。模型塔筒底部為全約束，載荷施加于輪轂中心，載荷參數見表2，坐標系方向如圖2所示。所用模型完成了網格無關性和步長獨立性驗證。

表1 材料參數

表2 載荷參數

2.2 仿真分析

對軸承桿單元應力進行分析，在軸承受到表2所示載荷作用時，桿單元受壓狀態云圖如圖5所示，將承受最大壓應力的相同切面的2排滾子模擬桿單元提取出來，其桿單元應力云圖如圖6所示。由圖可以看出：模擬滾子的4根桿單元受力情況差別很大，第1,2根桿單元幾乎承受了所有壓力，第1根桿單元承受了60%以上應力，而第3,4根桿單元不承受或僅承受極小的應力。

圖5 傳統模型桿單元受壓狀態云圖

圖6 傳統模型桿單元應力云圖

軸承廠家使用專有軟件對該類型軸承的滾子進行受力分析時，軸承在彎矩載荷小于1×1010N·mm(該載荷可覆蓋4 MW以下多數風機的彎矩載荷)作用下滾子表面所受壓力情況趨于均勻， 4根桿單元所受壓應力依次減小但相差不大。通過部分受損風電機組軸承的拆解圖也可以看出：滾子表面磨損相對均勻，極少發現一端磨損嚴重一端相對完好的滾子。桿單元模擬軸承計算其滾子的受力與實際情況顯然不符。若采用該方法對風機組主要結構零部件進行有限元分析，計算結果不準確，故有必要對模擬方法進行改進。

3 改進方法

桿單元建模方式的主要改進是：將模擬滾子4根桿單元兩端節點進行自由度耦合，對于雙排圓錐滾子軸承，其主要承受y向和z向(坐標系方向如圖2所示)的彎矩載荷，故對y，z向力矩自由度方向進行耦合。模擬一個滾子的4根桿單元的上下4個節點分別進行耦合，以便使模擬滾子表面的4個節點之間建立聯系，形成一個橫著的目字結構。

在相同工況下采用改進后模型對軸承進行分析,桿單元受壓狀態圖如圖7所示,與改進前模型相比：圖7中受壓桿單元明顯增多，說明滾子在周向方向上傳遞載荷更均勻。桿單元應力云圖如圖8所示，與改進前模型相比：受力最大的邊緣桿單元所受應力減少了一半，圖6中基本不受力的第3根桿單元也承受了10～15 MPa的應力。改進后的模型滾子的受力范圍在軸向和周向都有增加，滾子受力情況趨于更均勻，分析結果更接近于實際情況。

圖7 改進模型桿單元受壓狀態云圖

圖8 改進模型桿單元應力云圖

雙排圓錐滾子軸承僅半圈滾子受壓，故僅半圈桿單元受壓力，將受壓的桿單元每隔一組提取其受力最大桿單元所受應力，改進前后桿單元受力情況如圖9所示。由圖9可以看出：2種方式桿單元的應力曲線整體趨勢基本一致，但改進單元的應力曲線除了數值相對較小外，曲線更平滑，受力較大桿單元數量接近一半且受壓較為均勻，在40～46 MPa之間。改進單元承受的應力總和并未減小，圖8中之所以數值整體比應力值總和少了近一半，是因為圖8中數值是一組桿單元中應力最大的桿單元承受的應力，每組單元中的非最大值單元所受應力更均勻。這也更符合實際情況。

圖9 桿單元應力值對比曲線圖

4 主機架實例計算

軸承廠家只關注軸承本身的可靠性，而大部分廠家和機構會犧牲經濟性而選擇更保守的計算方法計算主機架的應力，目前國內對主機架應力的計算方法大體一致[7]，建模模型主要包括主軸承、偏航軸承、主機架、過渡段及偏航制動等附屬裝置。各主機廠商及風電行業認證機構已對軸承內外圈、主機架、過渡段、偏航系統和部分塔筒的建模、接觸及邊界條件設置、網格劃分等達成共識，整個模型唯一存在爭議的即為滾子的建模處理。采用傳統桿單元模型和改進后的模型對主機架進行應力分析，載荷工況同表2，改進前后仿真模型主機架應力云圖如圖10所示。

圖10 主機架應力云圖

從圖10可以看出：改進前后模型主機架應力分布情況整體一致，采用改進前模型得到的最大應力大于改進后模型，改進后模型主機架的應力結果分布相對更均勻。出現這種現象的原因是改進模型中連接桿單元的整個幾何環面中的節點以4個為一組共建立了192組節點耦合組，使得幾何環面2個面之間的剛度明顯增大。內外圈之間的相對變形和轉角都會減小，從而影響了主機架的應力分布情況。綜上可知,仿真模型會對主機架的仿真計算產生重要影響，改進后的模型更接近真實情況，故應采用改進后的模型進行仿真計算。

風電機組實際載荷下主要工況的應力分析結果見表3，表中所使用工況為按照德國勞埃德船級社(GL)的國際風電標準計算出的近3 000個工況遴選而來的7組最大值。分別選取圖2坐標系中各個方向的最大和最小載荷值，其中最小載荷值為負向最大值而非數值絕對最小值。Myzmax為y，z方向的合力矩。主機架應力云圖趨勢一致，表中應力值為主機架的米塞斯應力最大值，最大值位置相同。由表3可知：不同桿單元建模方式對軸向載荷(Fxmax，Fxmin方向應力差距小于2%，表3中未列出)的傳遞影響不大，對周向載荷(Mxmax，Mxmin)的傳遞影響也不大，對非軸向彎矩載荷(Mymax，Mymin，Mzmax，Mzmin，Myzmax)的傳遞影響較大。而非軸向彎矩載荷是雙排圓錐滾子軸承的重要載荷之一，故有必要采用更加接近真實工況的軸承建模方式。

表3 不同工況下風電機組主機架應力

5 結束語

主軸承作為風力發電機組的重要零部件，其仿真形式會對風機主機架、過渡段等重要零部件的應力計算產生重要影響。針對傳統仿真方法的不足，提出了一種新的仿真方法，改進后的仿真方法的應力仿真結果更接近真實情況。分析結果可為該類軸承的設計和應用提供參考。