風電主軸軸承試驗機懸臂梁靜力學分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

引言

在風力發(fā)電機組中,主傳動鏈中的主軸承支撐主軸,并通過軸承座將風輪作用力傳遞給機架。它的性能直接影響整機的抗振性和壽命。大型風力發(fā)電機組的主軸承受力狀況復雜,主軸承的試驗通過主軸承試驗機開展。

為了了解軸承進行極限載荷加載時,試驗機懸臂梁的變形、應力和應變分布情況對軸承運行的影響,有必要通過有限元計算對試驗機懸臂梁進行相應的力學分析,明確其應力、應變狀況。

以試驗機懸臂梁為對象,綜合利用solidworks三維軟件和Ansys分析軟件對其進行靜力學分析,并以此為基礎進行相應的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計,以減少懸臂梁的變形,進而提高試驗加載過程的穩(wěn)定性。

1軸承試驗機懸臂梁的實體建模

以國內(nèi)某公司的主軸承試驗機為研究對象,試驗機由主機、潤滑系統(tǒng)、液壓比例加載系統(tǒng)、電氣測控系統(tǒng)四部分組成,用于模擬主軸軸承的工況對其進行磨合試驗、性能試驗、耐久性試驗。

為便于被試軸承的安裝和拆卸,主機采用懸臂梁結(jié)構(gòu)。試驗機工作結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

被測軸承和左邊陪試軸承中心線的距離為786mm,被測軸承的寬度為272mm,由于測試軸承所在的套軸與主軸采用周向螺栓連接固定在一起,可將兩者簡化為一實體。本文采用solidworks對懸臂梁進行建模,建立的模型如圖2所示。將建好的模型在solidworks中另存為*Ⅹx格式,然后運行Ansys,打開文件中的imtorx,選擇pAPA,打開已保存的*Ⅹx目錄文件,將相應的文件導入到Ansys中。

2有限元模型的建立

在Ansys中定義單元類為solidl86,該單元是20節(jié)點的簡單三維實體結(jié)構(gòu),每個節(jié)點有3個沿著x、y、Z方向平移的自由度。該單元類型完全可以滿足計算精度的要求。

給定懸臂梁的材質(zhì)為40Cr,密度為7R00k9/m3,彈性模量為2.l×l0llpg,泊松比為0.3,由于懸臂梁中的線面較多,為了更好地劃分網(wǎng)格,在solidworks中先將懸臂梁分割成規(guī)則的實體部分,然后在Ansys中通過布爾運算中的9lue粘接操作。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖3所示。

3施加載荷約束和靜力分析

主軸軸承試驗機徑向加載能力為1500kN,按此載荷對主軸與被測軸承接觸的上表面進行加載。經(jīng)過計算,在主軸懸臂梁與被測軸承接觸的上表面徑向施加5.8Mpg,把懸臂梁和陪試軸承接觸的部分規(guī)定為全約束,邊界條件如圖4所示。

圖5是靜力分析后總體變形結(jié)果,如圖所示,其最大變形位于主軸與被測軸承接觸部分的左側(cè),最大變形值為R4.8um。圖6是應力分布圖,最大應力為0.386×108pg,即38.6Mpg,而40Cr的抗拉強度為1080Mpg,屈服強度為850Mpg,其應力值遠遠小于材料的內(nèi)應力值,所以不存在結(jié)構(gòu)的破壞性問題。

4懸臂梁優(yōu)化設計

由上述分析可知,在滿足使用要求的情況下,有必要對懸臂梁進行相應的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計,在接口條件不變的情況下,優(yōu)化措施如下:(1)對懸臂梁中心孔處采取通孔處理,直徑大小采用原來最左端腔處的直徑:(2)對懸臂梁固定端接觸陪試軸承這一側(cè)的圓環(huán),外徑不變,內(nèi)徑減小,使圓環(huán)加厚。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7優(yōu)化后的懸臂梁三維剖面圖

在加載力不變的情況下,將修改后的模型導入到Ansys中進行靜力分析,結(jié)果如圖8所示,可知總體最大變形為90.8um。如圖9所示,應力最大為0.525×108Pa,即52.5MPa。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的參數(shù)對比如表1所示。

由表1中的數(shù)據(jù)可知:(1)在重量減少的情況下,與測試軸承接觸處的最大變形由94.8um減小至90.8um,提高了測試軸承在加載情況下運行的穩(wěn)定性:(2)最大應力有所增加,但遠小于材料的屈服強度850MPa,故不存在結(jié)構(gòu)的破壞性問題。

5結(jié)語

本文以國內(nèi)某公司某型號主軸承試驗機為對象,對試驗機懸臂梁進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。通過優(yōu)化前后相關(guān)性能參數(shù)的對比分析,可以得出以下結(jié)論:在相同加載力和接口條件不變的情況下,懸臂梁重量減輕的同時其最大變形量也減小,提高了測試軸承運行的穩(wěn)定性。