風力發電機組中太陽輪軸的疲勞分析

雷福祥等

摘要：風力發電機組中的太陽輪易發生疲勞破壞，影響整個齒輪箱的疲勞壽命。利用UG軟件建立太陽輪軸的三維有限元模型，并通過ANSYS-workbench軟件對軸進行靜力學分析和結構疲勞分析，為疲勞壽命設計提供一種方法，以預測太陽輪軸的疲勞壽命。

關鍵詞：風力發電機；齒輪箱；疲勞壽命；有限元分析

中圖分類號：TH132.41 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）04-0027-03

風電增速齒輪箱是風力發電機組的關鍵部件，它位于葉輪和發電機之間，將葉輪受風力作用旋轉而產生的動力傳遞給發電機發電，同時將葉輪輸入的較低轉速轉變為滿足發電機所需的轉速。因此，風電增速齒輪箱是一種受無規律變向載荷的風力作用及強陣風沖擊的變載荷條件下工作的低速、重載、增速齒輪傳動裝置。太陽輪軸承接著周轉輪系與定軸輪系的載荷變化，易發生疲勞破壞，從而影響整個齒輪箱的疲勞壽命。利用有限元法對太陽輪軸進行疲勞壽命分析，以預測太陽輪軸的疲勞壽命。

1 太陽輪軸載荷特點及三維建模

風力發電機工作時，由于與行星輪組成了周轉輪系，所以太陽輪受到隨時間周期性變化的交變載荷，從而在結構部位產生了交變應力，引起太陽輪軸的局部位置產生疲勞裂紋并擴展，最后引起太陽輪上的某個齒突然斷裂。在傳統的扭力軸疲勞壽命分析中，往往只考慮單個軸，不考慮與其相配合的其他零件上的受力的影響，導致結果并不十分準確。本文針對太陽輪與低速軸通過花鍵相互連接的特點，考慮太陽輪與花鍵軸相配合時作用力對雙方疲勞破壞的影響，使得結果更加準確。

通過UG軟件建立太陽輪軸的三維有限元模型（如圖1所示），將X_T格式文件導入到ANSYS-workbench（AWB）中，進行網格劃分。整個模型有

15 448個單元，28 166個節點，太陽輪和花鍵軸都采用合金鋼制造。

2 額定工況下太陽輪軸靜力學分析

2.1 太陽軸上受力及約束

太陽輪上所受的扭矩分別由與行星輪嚙合的3個輪齒傳入，根據風力機的額定功率為750 kW，可推算出3個輪齒上的受力分別為131 105 N；將其作用在太陽輪的3個輪齒上，方向為順時針，低速軸右端軸肩作用逆時針方向扭矩，大小為46 200 N·m，加載重力。太陽輪與花鍵軸之間設置成bonded（綁定接觸），太陽輪內壁和花鍵軸配合軸承的軸肩設為Cyliderical Support（圓柱面約束），只允許切向轉動。太陽輪軸上的力及約束加載情況如圖2所示。

2.2 太陽軸上靜力學分析

利用有限元軟件進行靜力學分析計算可知，太陽輪上的最大應力（Von-Mises）為165 MPa，發生在太陽輪與軸肩的過渡圓角處，以及花鍵軸與軸肩的過渡圓角處，符合應力學規律。太陽輪與花鍵軸的應力及應變云圖如圖3—5所示。

根據太陽輪軸的應力云圖分析可知，最大應力發生在齒輪與軸肩、花鍵齒與軸肩的過渡圓角處。所以通過相關的疲勞理論知識，根據靜力學分析，可以進一步對太陽輪軸的疲勞壽命進行分析計算。

3 太陽輪軸的疲勞壽命分析

3.1 疲勞壽命分析相關理論

影響機械零件疲勞強度的因素很多，其中主要的有結構的尺寸與形狀、表面狀況、平均應力、環境介質及溫度等。對于風力機中的零部件來說，影響其疲勞壽命的因素主要是載荷特性、零件狀態及零件所采用材料的特性。

根據疲勞壽命理論，且考慮風力發電機的各種工況條件，計算出設計壽命為242 500英里。

3.2 太陽輪軸疲勞壽命分析

1） 通過Ansysworkbench軟件進行太陽輪的疲勞分析，得出太陽輪軸的二軸應力指示（Biaxiality Indication）。單軸應力區域為0，雙軸應力區域為1，純剪切-1，最大應力發生在齒輪與軸肩的過渡圓角處。本文主要研究隨機剪切載荷作用下的扭轉疲勞壽命。太陽輪軸的雙軸應力指示如圖7所示。

2） 通過有限元軟件自動進行雨流計算分析，輸入相關參數，得到太陽輪軸的壽命、疲勞破壞、等效交變應力、安全系數的相關云圖。本文中S—N曲線的最大壽命為1E6，無限壽命為1E6，零件最大和最先壽命均為1E6，認為在該疲勞壽命下不會發生疲勞破壞（如圖8所示）。

Damage云圖表示設計壽命與可用壽命的比值。當D>1時，說明零件發生疲勞破壞（如圖9所示）。計算方法為：設計壽命242 500除以1E6得0.242 5。

安全系數（Safety Factor）表示零件或構件所用材料的失效應力與設計應力的比值（如圖10所示）。由機械手冊可知：軸類零件的安全系數應大于1.10，安全系數最小為0.52，發生在太陽輪軸肩段，所以這段應采用特殊的熱處理，以滿足安全系數的最低要求。初步分析是受到隨機交變剪切載荷，以及尺寸效應、缺口效應、表面加工方法等影響。

4 結論

本文通過有限元軟件，對風力發電機的關鍵部位零件——太陽輪軸進行疲勞壽命的分析計算，找到一種三維軟件UG與Ansys聯合分析的方法，預測了太陽輪軸的疲勞破壞，并提出改進方法，今后可對風力發電機整機的疲勞分析及故障預測進行深入研究。

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Abstract： Sun gear is easy to get fatigue destroy in wind turbine generator， and influences the fatigue life of the whole gearbox. The article presents the establishment of 3D finite element model of sun axle by using UG software， and expounds the analysis of statics and structural fatigue by ANSYS-workbench software. It provides a method for the design of fatigue life in order to predict the fatigue life of sun axle.

Key words： wind generator； gearbox； fatigue life； finite element analysis