雙饋風力發電機轉軸材料疲勞性能試驗及數據分析

吳 冰，王建良

(1.湖南鐵道職業技術學院，株洲 412001； 2.中國中車株洲電機有限公司，株洲 412001)

0 引 言

雙饋風電機組整機進行低電壓穿越時，電網電壓的突變以及此時變流控制策略的突然變化，將可能導致發電機轉軸等部件的機械壽命和整機電氣壽命縮短甚至損壞[1]。根據《雙饋風力發電機組低壓穿越技術研究報告》[2]，當電力系統發生三相短路故障引起電壓跌落時，風力發電機轉軸承受的轉矩約為額定轉矩的2倍；當發電機轉子發生兩相、三相突然短路時，轉子線圈會產生約10倍額定電流的沖擊電流，從而產生很大的安培電磁力施加到轉子槽楔上。

因此，在雙饋風電機組進行低電壓穿越時有必要對發電機本體的強度影響進行研究。本文以FYKS02水冷雙饋風力發電機為原型，通過轉軸材料疲勞性能試驗，確定轉軸材料的疲勞強度，在此基礎上，進行有限元建模，分析各個零部件的受力情況，校核及驗證零部件能否滿足發電機低電壓穿越的要求。由于篇幅有限，本文只對轉軸材料疲勞性能試驗進行詳細介紹，其中包括試驗的設計思路、試驗數據及試驗數據分析。

1 試驗總體思路

為了研究驗證FYKS02雙饋風力發電機轉軸的可靠性，對轉軸材料34CrNiMo6進行了疲勞性能試驗。

依據GB/T 4337—2008《金屬材料疲勞試驗旋轉彎曲方法》[3]，從轉軸上截取毛坯試樣并加工成光環圓柱型旋轉彎曲疲勞試樣，采用四點旋轉彎曲旋轉疲勞試驗機，測試轉軸材料的疲勞性能。通過對試驗數據進行分析，得出轉軸材料的S-N曲線。

2 測試過程

依據國標GB/T 4337—2008，制作加工圓柱光滑試樣，如圖1所示，通過夾具組裝成梁，通過旋轉彎曲疲勞試驗機帶動其旋轉，同時該試樣將承受四點彎矩載荷，彎矩載荷的作用位置如圖2所示，要求彎矩載荷的大小和方向保持不變。在試樣失效或達到預定應力循環次數時，中止試驗。

圖1 疲勞試驗所用的光滑圓柱試樣

圖2 圓柱形試樣四點加力圖示

本試驗首先通過單點法測得S-N曲線，求得近似疲勞極限；將該極限作為中間值，通過試驗獲取應力級差；再采用小子樣升降法[4]測出準確的疲勞極限值。

本試驗采用PQQ-60型純彎曲旋轉疲勞試驗機進行試驗。

單點法試驗結果如表1所示。

表1 單點法試驗數據

由表1可得，材料粗略的疲勞極限值σ-1=402.3 MPa，取應力級差Δσ=(4%～6%)σ-1=(16.092～24.138) MPa，得到各級應力值σ-1±Δσ，σ-1±2Δσ[5]。但由于試驗中這些計算出的應力值可能無法通過砝碼來保證，故根據疲勞試驗裝置的實際情況對數據進行調整，如表2所示。

表2 調整后的可用于升降法的應力級

根據表2中砝碼重量進行小子樣升降法試驗的結果如表3所示。

根據表1的試驗數據，以試樣的應力為縱坐標、循環次數的對數為橫坐標，繪制S-N曲線，如圖3所示。根據表3的試驗數據，繪制的S-N曲線如圖4所示。

表3 升降法試驗數據

圖3 單點法繪制S-N曲線

圖4 升降法試驗結果圖

將升降法所得的數據點加入到單點法繪制出的S-N曲線圖中，可以得到圖5。

圖5 所有試樣的應力壽命對應圖

圖5中，X坐標為107時對應直線上的點即為材料的疲勞極限，由Origin擬合數據，該點應力值為402.3 MPa。

3 結 語

以FYKS02水冷雙饋風力發電機轉軸材料34CrNiMo6為研究對象，將其加工制作成標準的光滑圓柱試樣，借助四點旋轉彎曲疲勞試驗機，測試了該材料的S-N曲線和疲勞極限。由單點法得出了34CrNiMo6材料的S-N曲線，進一步的升降法試驗表明，該材料的疲勞極限為402.3 MPa。

該試驗結論將為下一步對FYKS02水冷雙饋風力發電機進行有限元建模，對各個零部件進行疲勞強度分析提供試驗依據，進而校核及驗證FYKS02水冷雙饋風力發電機各零部件能否滿足發電機低電壓穿越的機械強度要求。