风电机组中轴承仿真方式对主机架强度计算分析的影响
摘要
主机架是风电机组的重要部件，必须保证主机架的结构强度和疲劳强度的安全。在建模计算过程中分析发现，轴承建模方式的不同对主机架的应力计算结果有较大的影响，不同的工况相差5%至15%不等。对双排滚子轴承进行模拟时，使用几根link10受压不受拉的杆单元模拟轴承滚子是可靠的，但是几根杆单元之间应建立联系，使轴承滚子的受力情况趋于更均匀化，以便更真实的模拟滚子表面均匀受力的情况。使用没有具有联系关系的杆单元模拟轴承滚子，主机架的计算结果会造成部分失真。使用不同的方法模拟轴承滚子，对主机架有限元强度计算结果会带来较大影响。
关键词：风电机组 轴承模拟 主机架 有限元
一 前言
能源的供给无疑是人类本世纪面临的最大挑战之一，而风能是一种清洁的可再生能源，全球风资源丰富，其中我国风电技术可开发量约5500GW。随着我国对环境保护、能源短缺等问题的日益关注，尤其是全国越来越严重的雾霾问题的突出，风电行业不仅受到国家的关注和政策支持，也越来越多受到企业和普通大众的重视。随着风电行业的技术进步，风力发电成本逐步降低，在经济性上逐渐能够与核能发电、水力发电展开竞争。风电企业利用好得到的政府政策支持，风力发电产业将能迎来前所未有的发展。
随着风力发电技术的不断发展，风电机组的研究也取得了很大的成就，从最初的千瓦级风电机组到现在的兆瓦级风电机组，从最初的陆上机组到现在的海上机组，风电机组的大型化、创新性已经成为未来发展的趋势。风力发电机组在野外长时间经受各种极恶劣天气和非常复杂的风力交变载荷，其设计与生产涉及机械制造、电机、电控、空气动力学、高分子材料以及液压等多学科复杂系统集成技术，不仅需要扎实的理论基础，更需要丰富的实践经验。对于大型机组，其质量的可靠性与成本的最低化显得尤为重要，因此技术人员更多采取了和有限元计算交互设计的方法，保证结构部件的强度满足要求，运行寿命满足要求。
二 主机架重要性分析
主机架是风力发电机组中最关键和承载最复杂的部件之一，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风电机组正常稳定运行的关键因素，是风力发电机组结构设计的重点和难点。主机架要求比重轻、机械性能和疲劳强度较好、便于制造和装配、能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷等。随着大容量风力机的不断出现，主机架结构朝着复杂化、大型化方向发展，同时风力机上几乎所有载荷都要通过主机架传递到塔架上，对于承受如此复杂载荷的部件，其强度问题显得尤为重要，不仅可以校核结构设计，而且还会指导结构设计、优化结构。随着计算机及计算技术的飞速发展，特别是适合于复杂结构的有限元分析技术的日臻成熟和成功应用，极大改变传统的结构设计与分析方法。为此，风机标准如GL、
DNV等均对部件强度问题有明确要求，对于如主机架等类似的复杂结构部件，推
荐采用有限元方法对其进行强度分析，有限元法越来越多地应用于风机部件强
度分析中。
而在风机的实际运行中，一旦主机架这样的大部件出现问题，不仅风机停机造成发电损失，而且风机整机还必须返厂维修，同时整机的拆装和运输成本极大，对风电整机企业造成巨大的财产和名誉损失。同时需要注意的是，风电机组中的大部件损坏，很多部件都是与主机架连接的部件，如齿轮箱箱体，主轴承，力矩臂等，而这些部件的损伤，也是和主机架的安全性稳定性所相辅相成的。这也更说明了主机架的重要性。
三 轴承对主机架计算分析的影响
轴承在风电机组上的主轴、齿轮箱、发电机、变桨机构、偏航机构等多部位都有装配，轴承故障在机组故障中占有很高的比例。风电机组的主轴系包括过渡段、主轴承以及密封定位零件等，其功能是将扭矩载荷传递给齿轮箱以及发电机，将其他载荷传递给支撑结构主机架。由于风机主轴承属于转动部件，且承受非常大的载荷，容易变形，因此，要求风轮主轴轴承必须有良好的极限和疲劳性能。在实际风机故障中，主轴承损坏主要为滚子破损或保持架损坏，而对于主轴承损坏严重的情形下，主机架轴承安装位置都不可避免的造成一定程度的损伤，甚至于需要重新返厂维修整机。
轴承故障具有高度随机性、复杂性和非线性特征，其性能和质量在很大程度上影响着风力发电机组的运行情况。风力发电机组常年工作在野外，工况较为恶劣，温度、湿度和荷变化比较大，并且机组的零部件安装与维修的难度高、费用大，因此要求其风力发电机组中使用的轴承必须具有较高的可靠性和足够的寿命。通常，要求轴承具有足够的强度和承载能力，设计寿命达到年以上。因此，在设计和选用轴承的过程中，需要对轴承的性能和寿命进行分析，以便及时改进设计，合理选型，提高风力发电机组的可靠性，避免失效，降低成本。
本文讨论的轴承结构主要是双排滚子轴承支撑结构。首先看一下主轴承的结构形式以及与主机架的安装配合形式。如图1为主轴承结构图的横切图。轴承为内外两环，内部滚子为带锥度的近圆柱体，数量一般为90到100之间，内外两环之间设有保持架结构，主要为了保持滚子能均匀匀速滚动。图2 为主轴承3D结构示意图。
四、主机架结构强度分析
本文采用三维有限元计算方法可以很好地处理复杂的几何模型问题，按主机架的实际几何特征建立模型。以便计算所得的结果能较好反映实际问题，并能更详细和准确地反映真实应力的分布，得到不同位置的应力，从而为主机架的强度校核及改进主机架结构设计提供依据。
主机架材料是球墨铸铁，铸造结构。采用三维软件建立主机架的C A D模型，并在ANSYS模块中进行有限元计算。使用的载荷是轮毂中心固定坐标系载荷，主机架有限元计算模型有必要对连接过渡段和主机架的主轴承进行建模。而在建模计算过程中分析发现，轴承建模方式的不同对主机架的应力计算结果有较大的影响，不同的工况相差5%至15%不等。
图4中为了更好的展示三者连接的结构形式，主机架和主轴承都被隐藏了一半。轴承被简化成仅有内外圈，轴承内的滚子使用ansys软件的link180单元进行模拟，由于轴承滚子在轴承内始终处于受压状态而不承受任何的拉力，所以单元属性被定义为只受压不受拉的状态。
五双列圆锥滚子轴承的不同模拟方法影响分析
在有限元计算中，圆锥滚子轴承的模拟通常采用简化滚子的方式，即保持轴承内圈的构造，将滚子用几根受压不受拉的杆单元替代，同时轴承内外圈采用 solid187 单元，这样的简化模拟出了轴承只传递压力的特点。目前，国内外风电厂家基本使用的这种建模方式建立轴承模型用于主机架的强度计算分析。
对模型加载弯矩载荷，并提取出模拟轴承滚子的link180杆单元的受力状态云图，如图6和图7所示。
由图6可以看出，双排轴承受到弯矩作用时，每排轴承不是所有的滚子都受力且受到较大压力的滚子数量只有约十几个左右受力较大（本计算每排共有滚子104个）。同时可以看出，双排滚子的受力区域是相互对应的，及内圈上半部分主要受力时，外圈下半部分主要受力，左右方向亦是如此。由图7可以看出，用四个杆单元模拟的轴承滚子，只有最边缘的第一和第二根杆单元受压力，并且第一根杆单元承受了60%以上的载荷。轴承厂家的技术人员对主轴承的滚子进行模拟计算，计算结果认为滚子在1E 10Nmm以下的弯矩载荷作用下，轴承滚子表面的受力应该是基本均匀的，即四根杆单元所受的压力相差百分比应该不大。理由主要有以下两个原因：
1，轴承滚子的圆柱是带有锥度的，靠近轴承内部的圆截面要更大一些，采用这种设计一方面是为了满足滚子旋转的几何要求，另一方面，也是为了让轴承在受较大弯矩时，滚子与轴承内外圈的接触面积更合理一些。
2，轴承滚子安装时会有较大的预紧力，能到几百KN（具体数值没给出），滚子与内外圈的接触压强能有1500至2000MPa（数据来源于轴承厂家的主轴承计算分析报告）。所以，轴承在受到较大的弯矩状态下，滚子与内外圈之间依然保持紧压状态，不会脱开。
基于以上计算结果和轴承厂家给出的分析原因，我们把计算模型进行了改进，将模拟轴承滚子的四个杆单元的两端节点进行了6个方向的自由度耦合，即每个四个节点进行一次耦合，以便使模拟轴承滚子的表面的四个节点之间建立起联系。需要指出的是，虽然进行了6个方向的自由度耦合，但是由于杆单元只承受压力，所以这四个节点只会传导杆单元方向的载荷，而且只传导压力。计算结果如图8和图9所示。
对比图6和图8可以看出，图8中有更多的杆单元受到了压力。而从图9可以看出，受力最大的外侧杆单元所受的压力已经减少了一半左右，原来不受力的第三根杆单元也承受了10到15MPa的压力。改进后的模型，轴承滚子的受力范围在轴承的轴向和周向都有增加。虽然依然是最外侧的杆单元受力较大，但是整体看来，轴承滚子的受力情况趋于更均匀化了。轴承厂家在对轴承进行计算时，滚子表面的受力情况是按照均匀分布是计算的，这种方法的计算也更贴合轴承厂家的计算结果。
以实际损坏的轴承滚子反馈来说，一般轴承滚子损坏，大多数是由于轴承内保持架破损造成的轴承滚子的偏离原来位置造成的轴承内外环的损坏，也有部分是轴承滚子长期使用造成的磨损变形，而且轴承滚子的两端磨损情况也是基本相似的，出现滚子脆性断裂或破碎的情况极少。这也从侧面说明，轴承内滚子的受力应该是均匀的，不会出现一端受力极大一端不受力的情况，使用第一种也是目前多数风电整机厂家使用的轴承模拟方法和实际真实情况相比是有偏差的，而这种偏差对于主机架的极限强度的分析的影响也是较大的，局部应力值相差超过20%甚至更多。
六不同轴承模拟方法对主机架计算的影响
图10为不同轴承模拟方法的主机架计算应力结果，如图所示。
图10 不同轴承模拟方法的主机架计算应力结果
由图10可以看出，两个应力结果存在明显的区别，使用没有联系的杆单元计算出来的主机架应力值要大于使用有联系的杆单元的计算结果。出现这种情况的主要原因，是由于主机架前端轴承安装位置的整体刚度存在着巨大的差别，同时载荷在向主机架后端传导时的作用方式也不存在差别。后者的作用方式，更像是在主机架前端形成了一个圆环面端有相互联系的整体，向后端传导载荷时也更均布一些，所以应力分布也更均匀一些。
