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風力發電機組軸承的有限元分析

發布于:2024-01-17 21:13
有限元分析

      偏航變槳軸承是風力發電機組構成和傳遞載荷的重要部件,風力發電機組主要部件(比如輪轂、機架、塔頂法蘭等)有限元分析時,都需要考慮其臨近部件,如偏航或變槳軸承。如何模擬偏航變槳軸承是風力發電機組部件有限元模型正確模擬的關鍵,偏航變槳軸承的非線性特性很大程度上影響著有限元分析的精確性,必須正確考慮,然而偏航變槳軸承的內外圈和滾子全部實體建模將會帶來復雜的接觸關系,計算難以收斂。本文使用ANSYS軟件中的link10單元組模擬滾子,通過合理設置link10單元的剛度和初始應變,使link10單元組和軸承滾道滾子接觸對具有相同的非線性接觸剛度,而且在載荷改變時也可以模擬出滾道滾子接觸角變化的特性。最后通過有限元計算和軸承理論計算比較,驗證了其載荷傳遞的正確性。本文的方法不僅可以正確考慮風力發電機組有限元模型中軸承的非線性特性,而且可以大大簡化模型,減少計算量,使風力發電機組主要部件的有限元分析變得快捷和精確。
      偏航變槳軸承通常為四點接觸盤轉軸承或八點接觸盤轉軸承,圖為典型的四點接觸盤轉軸承的截面示意圖。偏航變槳軸承通常采用負游隙或0游隙,軸承溝曲率半徑系數為0.52~0.53,滾道的半徑比滾子半徑略大,在軸承不受載荷的初始狀態時,滾道和滾子有4個接觸點,如圖1所示,這4個接觸點構成2個接觸對,接觸對1處于45°接觸角,接觸對2處于135°接觸角。當偏航變槳軸承受載后,隨著載荷的加大,滾子和滾道基本上只有一個接觸對接觸,在另一個接觸對出現間隙,并且接觸角也在變化,滾道和滾子的接觸剛度隨載荷的增大也會變大。軸承在受載后的變化過程是一個典型的非線性變化過程。
      接觸對滾道之間的法向趨近量與接觸載荷的關系為非線性,具體為:接觸對1處接觸載荷Q1ψ為:Q1ψ=Kn(δ1n)1.5δ1n>00δ1n≤0(1)同理,接觸對2處接觸載荷Q2ψ為:Q2ψ=Kn(δ2n)1.5δ2n>00δ2n≤0(2)式中:δ1n和δ2n分別為接觸對1和接觸對2被滾動體隔開的2個滾道之間的法向趨近量,等于鋼球與每個滾道的趨近量之和;Kn為2個滾道間的載荷位移系數。如果軸承受軸向力Fa、徑向力Fr以及翻轉力矩M作用,根據平衡條件列出的方程組為:Fr=zi=1ΣQ1ψcosα1ψcosψ+zi=1ΣQ2ψcosα2ψcosψFa=zi=1ΣQ1ψsinα1ψ-zi=1ΣQ2ψsinα2ψM=12Dwpzi=1ΣQ1ψsinα1ψcosψ-zi=1ΣQ2ψsinα2ψcosΣψ(3)式中:鋼球總數為z;第i個鋼球的方位角為ψ;接觸對1的接觸角為α1ψ;接觸對2的接觸角為α2ψ。式(3)是一個非線性方程組,當軸承的基本尺寸參數給定時,對應一組外部載荷Fr、Fa和M,可以通過牛頓迭代法求解得到各個接觸對的法向趨近量。該非線性方程的求解需要編譯程序求解,詳細的求解過程參考文獻。
      link10單元具有獨一無二的雙線性剛度矩陣特性,使其成為一個僅受拉或僅受壓的桿單元,這里設置成僅受壓的特性來模擬滾子和滾道的接觸屬性:滾子和滾道接觸時傳遞法向的接觸載荷,滾子和滾道分離時不傳遞載荷。通過一組link10單元來模擬一個滾子,設置合理的link10單元參數,就能很好地模擬該類軸承的非線性接觸特性,以及接觸角度變化和接觸剛度的變化特性。
      本文采用7根桿單元模擬一個接觸對,如圖2所示,一個滾子有2個接觸對,共需要用14根link10單元模擬一個滾子,在45°和135°方向,滾接觸對2接觸對1子與滾道剛好接觸,在其他方向,滾子與滾道存在間隙,間隙值的大小可以通過滾子和滾道的幾何關系求解。


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