基于nCode某水電站橋機減速機輸出軸疲勞壽命分析

何中偉，舒崚峰，錢 瑭

（中國電建華東勘測設計研究院，浙江 杭州311122）

隨著水電行業的蓬勃發展以及國內水電站規模的擴張，對水電站專用橋機的載荷和性能要求也逐步提高[1]，因此越來越多人投入到橋機結構應力及疲勞分析研究中，其中又以減速器研究居多。劉海全[2]在論文中運用Ansys自帶Fatig工具箱對減速器輸出軸進行疲勞分析，但其采用的工具箱過于簡化，尤其在荷載序列方面，只有單向受力，而實際減速機能夠雙向減速；盧黎明等[3]采用基于nCode技術對滾動軸承進行疲勞分析，發現圓柱滾子軸承和滾滑軸承的圓柱滾子與內圈接觸面的損傷比圓柱滾子與外圈接觸面的損傷更嚴重；李光尚等[4]在論文中提到，Gerber模型相較于其他模型，能更有效模擬韌性材料疲勞壽命。本文將針對某水電站橋機減速機輸出軸斷裂問題，基于nCode平臺進行疲勞壽命分析。

1 模型建立

1.1 模型參數

某水電站橋機荷載為210t/50t，所用減速機型號SNT-160，扭矩為325N·m，輸入軸轉速1000r/min，輸出軸轉速14r/min。減速機輸出軸具體參數如表1。

建立減速機輸出軸三維模型如圖1所示。

1.2 材料參數

輸出軸材料43CrMo，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強度為930MPa，抗拉強度為 1081MPa，密度為 7.8×103kg/m3，許用應力為790MPa。可查的該材料的S-N曲線如圖2所示。

表1 減速機輸出軸參數

圖1 減速機輸出軸三維模型

2 有限元理論

Gerber理論[5]能夠對韌性材料的拉伸平均應力提供很好的擬合：

圖2 材料S-N曲線

式中：σa為交變應力；σ-1為主應力；σm為平均應力；σb為許用應力。

應變疲勞[6]公式：

式中：σf為疲勞強度系數，其值近似等價于靜態拉伸斷裂強度；b為疲勞強度值；εf為疲勞塑性系數；c為疲勞塑性指數。

3 有限元仿真

3.1 網格劃分

針對該減速機輸出軸進行網格劃分，輸出結果如圖3所示，其中節點數23652個，單元數9562個。

圖3 減速機輸出軸網格劃分

3.2 約束和載荷

根據現場運行工況對減速機輸出軸施加約束和載荷，具體如下：

（1）對軸承施加Cylindrical Support，約束徑向和軸向運動，保證周向自由運動；

（2）軸肩處設置Fix Support，限制整個軸軸向運動；

（3）齒輪處施加旋轉扭矩，大小為325N·m；

圖4 施加的約束和載荷

（4）鍵槽處施加固定載荷，方向與齒輪處相反，扭矩保證與齒輪處載荷相同。

3.3 定義時間荷載序列

時間荷載由現場工況決定，其值決定了疲勞分析結果，針對該水電站橋機現場狀況，減速機需要進行雙向工作，因此定義時間荷載為峰谷值，如圖5所示。

圖5 時間荷載序列

4 結果分析

4.1 應力變形分析

對上述減速機輸出軸進行仿真計算，從圖6中可以看出，等效應力集中于前兩節軸根處，又以第二軸根處值最大，為735.86MPa；而鍵槽兩側根部應力最大值為663.02MPa，兩側最大值皆小于該材料的最大許用應力790MPa，因此該軸出現斷裂不是應力過大造成。

圖6 減速機輸出軸等效應力云圖（Pa）

從圖7可以看出，減速機輸出軸最大變形量出現在鍵槽前端，為1.3871mm，因為該處是整個軸的受力點；從軸前端到鍵槽根部逐漸減小，因為軸承約束，后方基本不發生變形。

圖7 減速機輸出軸變形云圖（m）

4.2 疲勞分析

基于nCode平臺進行減速機輸出軸疲勞壽命分析，從圖8中可以很明顯看出，減速機輸出軸絕大部分處于安全區域，但靠近鍵槽處的根部，為明顯的疲勞脆弱區，極易受到損傷。

圖9為減速機輸出軸的安全系數云圖，一般而言，當安全系數＞1的時候，結構能夠保證使用到設計壽命，而從圖中可以清晰看到在鍵槽周邊的安全系數接近0.3，遠遠小于設計所需值1，表明此處在正常工況下，由于荷載反復極易疲勞失效，產生扭曲，嚴重導致斷裂。

圖8 減速機輸出軸疲勞壽命云圖

圖9 減速機輸出軸安全系數云圖

4.3 試驗對比

在某水電站現場進行真機試驗，采用此結構作為減速機輸出軸，經過長期使用，如圖10，發現軸發生偏移，經過拆卸后證實在鍵槽根部的兩側出現明顯裂紋，與上述仿真結果保持一致，證明該軸確實由于疲勞失效導致斷裂。

圖10 減速機輸出軸現場照片

5 結論和建議

5.1 結論

通過構建某水電站減速機輸出軸三維模型進行數值模擬仿真，并與現場試驗進行對比，得出如下結論：

（1）該減速機輸出軸在鍵槽根部出現明顯應力集中現象，但在該材料許用應力范圍內，強度滿足要求；而該軸頭部出現最大位移為1.3871mm，屬于合理變形。

（2）經疲勞壽命分析，該減速機鍵槽根部為脆弱區域，容宜發生斷裂；同時根據安全系數云圖可知鍵槽周邊安全系數小于設計要求值1，極易出現疲勞失效，導致輸出軸變形甚至斷裂。

（3）通過現場試驗可知，減速機輸出軸在經過長期使用后，鍵槽根部兩側發生斷裂，與數值模擬分析結果一致，驗證該軸由于疲勞失效導致斷裂。

5.2 建議與解決方法

針對該減速機輸出軸鍵槽根部斷裂現象，提出以下解決方法：

（1）去除鍵槽，鍵槽連接的缺點就是無法承受重型載荷，所以針對大型橋機轉動時，不宜采用鍵槽連接。

（2）采用脹套連接，這是新型的過盈連接方式，其連接件制造簡單，且拆裝方便，強度高且具有過載保護能力，不易斷裂。