不同轴承仿真方式对风电机组主机架计算的影响

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。对类似的复杂结构部件，有限元法越来越多地应用于风机部件强度分析中。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安全稳定的重要性。

   风电机组的主轴，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。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。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，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。

    本文采用三维有限元计算方法，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。

    主机架材料一般是球墨铸铁，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。

      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。

两种不同轴承模拟方法的主机架计算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，是在主机架前端圆环面端建立了相互联系，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。

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