风力发电机主轴结构对锁紧螺纹段疲劳强度影响研究

风力发电机主轴结构对锁紧螺纹段疲劳强度影响研究

李康康

陕西黄河能源有限责任公司 陕西 西安 710000

摘要：由于在当代社会的发展中环境污染和能源消耗问题之间的矛盾变得越来越突出，而风力发电为解决该矛盾提供了一种可能。随着风力发电的快速发展，给风力发电设备的生产创造了巨大的市场机会，并逐步发展壮大。自从引入风力发电机组以来，全球能耗需求增加导致了风能的快速增长。特别是自2000年以来，年装机容量迅速增长，各种先进技术被引入到风力发电中，风力发电市场变得更具竞争力，同时降低了风力发电设备的成本。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对风力发电机主轴结构对锁紧螺纹段疲劳强度影响研究提出了一些建议，仅供参考。

关键词：风力发电机;主轴结构;锁紧螺纹段;疲劳强度影响

引言

风力发电机组采用多颗高强度螺栓将主轴和轮毂连接起来，是风力发电机组最重要的连接螺栓之一。主轴与轮毂连接螺栓随工况不同承受了不同的极限载荷，其安全性是整个机组的安全性的重要影响因素。研究人员针对风电机组主轴和轮毂的连接螺栓强度作了许多分析，如晁贯良运用有限元软件ANSYS仿真分析了轮毂与主轴连接螺栓的受力，对连接螺栓进行了强度分析和接触面滑移分析，结果表明，某MW级风力发电机组的轮毂与主轴连接螺栓设计满足要求。但其仅对X方向的极限力进行了计算。杜静针对轮毂与主轴连接处螺栓所受极限载荷问题，依据VDI2230螺栓连接准则，提出等效梁法，建立了螺栓轴向及径向刚度数学模型，对螺栓连接的螺纹啮合区做了理论分析，计算了螺纹受力以及实际工况下螺栓的等效应力，并采用有限元理论螺栓在ANSYS中进行强度分析，有限元结果与理论分析结果基本一致。但都未考虑到当存在螺栓断裂的情况时，螺栓的强度安全性。

1主轴螺纹段简介

风力发电机组从低兆瓦研发至高兆瓦，主轴载荷随之变大，由于主轴的支撑和受载情况复杂，不仅需要承担来自风轮的各种载荷，同时需要将来自风轮的转矩传递给增速齿轮箱，其工况复杂多变，工作应力变化幅度大。一般主轴采用合金钢材质，极限强度均能满足要求，安全裕度高，而疲劳强度安全裕度比较低，因此主轴强度分析最为关键的就是优化疲劳强度，锁紧螺纹段相对于主轴其他部位，由于其缺口效应，螺纹造成的应力集中系数较高，对应的疲劳损伤值就高，锁紧螺纹段的疲劳强度尤为重要。笔者在nCode软件分析下优化主轴各部分尺寸变化对研究主轴锁紧螺纹段疲劳寿命的影响。

2风力发电机常见故障特点

2.1叶片

风电机组中叶片作为风电机组感应风能的重要构件，叶片往往承受较大风能应力，且所处环境极其恶劣，即使风电机组正常运行，也会出现一些设备故障，如：叶片结构松动造成雨水通过裂纹进入叶片内部，引起叶片不平衡；环境污染等原因增加叶片表面粗糙程度；长期受到风能应力导致叶片变形、叶片结构裂纹、桨距控制失效而造成空气动力不平衡[1]。由于叶片受力出现形变或裂纹时，会释放时变的、高频的、瞬态的声发射信号，风电机组叶片损伤探测与评估常使用声发射检测技术，考虑到叶片故障引发的转子叶片受力不均会传导到机舱上而造成机舱晃动，可在机舱主轴上安装多个振动传感器，通过传感器采集低频振动信号，分析叶片转动空气动力不平衡等故障。

2.2电动机

现阶段风电机组通常采用永磁同步发电机、双馈发电机，直驱式风力发电机是直接耦合电机转子，通常使用永磁同步电机，电机转速一般较低，电机启动转矩较大，定子绕组经全功率变流器接入电网，相对于双馈发电机其运行范围较宽，但直径较大、结构相对复杂，设备成本较高。相对于永磁同步发电机技术，双馈发电机转速相对较高，会存在一定的噪音污染，且风电机组对应需要增速齿轮箱，因此机组整体重量较重。双馈发电机为异步发电机，其额定转速为1500r/min，由于变流器连接转子，可实现功率的双向流动，确保发电机在额定转速70-105%范围内的恒频变速运行，以此获得稳定的输出功率。风电机组风力发电机中的电动机故障有机械故障、电气故障，机械故障主要表现为轴承损坏、过热，转轴形变磨损、转、定子间隙异常等；电气故障主要表现为绕组断路、短路、过热等。

3主轴各部位结构优化对锁紧螺纹段疲劳强度影响

3.1螺纹段前圆弧(卸荷槽)半径Ｒx对螺纹段及整个主轴的影响

卸荷槽本身是为了螺纹加工退刀设计，采用圆弧设计后，可以有效减少该部位由于螺纹尾段加工引起应力集中现象，改善螺纹段周围的疲劳损伤强度。保持螺纹段离主轴大端距离L为1355mm，卸荷槽宽度B为90mm，螺纹后圆弧半径Ｒ为710mm，H为Ｒx变化时所对应的圆弧底部定点与主轴外表面深度。卸荷槽直径从70mm减至40mm，随着直径减小，圆弧深度H增大，疲劳损伤值减小，斜率较大;主轴整体疲劳损伤急剧增大，曲线呈指数上升，最大值达到300，最大点出现在卸荷槽本身，这是由于卸荷槽深度增加，使其底部刚度减弱，承担了更多的弯矩载荷。卸荷槽直径从70mm增至90mm，随着卸荷槽直径增大，螺纹段疲劳损伤值趋于平缓，斜率较小;主轴整体疲劳损伤值也趋于平缓，低于1。直径从90mm增至100mm，两条曲线重合，主轴最大疲劳损伤值部位与螺纹段损伤部位重合，即主轴最大疲劳损伤值位置为螺纹段，且随着卸荷槽直径变大，卸荷槽深度变浅，螺纹段疲劳值也随之增加，卸荷槽直径为95mm时，螺纹段疲劳超出1。

3.2螺栓承受的最大轴向力随螺栓断裂位置的变化规律

当断裂1根主轴轮毂连接螺栓时，从6种极限载荷下螺栓承受的最大轴向力变化曲线可以看出，随着螺栓断裂位置的变化，螺栓组中最大轴向力呈规律性的变化，螺栓未断裂时，螺栓组中最大轴向力螺栓位置（原危险螺栓）随极限载荷不同而不同；当原危险螺栓断裂后，最大轴向力螺栓位置会转移到其邻近的一根螺栓处；当原危险螺栓相邻一根螺栓断裂时，螺栓的最大轴向力增大的最多，为5.4%；当其余螺栓断裂时，最大轴向力螺栓位置不变，但力的大小发生规律性的变化，在最大轴向力螺栓位置左右106°范围内，断裂螺栓越靠近最大轴向力螺栓位置，螺栓组中最大轴向力越大；当断裂螺栓位于原危险螺栓180°位置处，最大轴向力出现第二波峰；当断裂位置位于原危险位置左右[106°，124°]时，螺栓组的最大轴向力略微降低。因此，螺栓组的危险螺栓位置与极限载荷有关，即与工况有关，与螺栓断裂位置无关，对于危险位置螺栓，需增加关注度。

结束语

随着风电场逐渐发展并遍及各地，风能逐渐成为替代能源的首选来源。风力发电机的装机容量也在逐年增加，特别是中国风力发电场的装机容量快速增加，使其成为世界第一。随着风力发电的发展，风力机的机械设备故障的问题逐渐出现，由于维护和更换设备的复杂性和高成本，对风力发电机进行故障排除已成为不可忽略的问题，这对其安全稳定的运行非常重要。

参考文献

[1]陈明达,王建梅,姜宏伟,崔夕峰.大型海上风机主轴-齿轮箱法兰连接研究[J].重型机械,2020(05):91-96.

[2].风力发电机组高效流体设备的研制[J].新能源科技,2020(08):9.

[3]房明,赵震,唐子谋,李华.风力发电机结构件动力学特性分析[J].机械制造,2020,58(08):6-9.

[4]裘园,何先照,应华冬.风力发电机组铸造主轴胀套联接应力测量与分析[J].装备制造技术,2020(08):62-66.

[5]张立军,胡阔亮,顾嘉伟,朱怀宝,江奕佳,缪俊杰,李想,刘静.变桨对大型H型垂直轴风力机主轴偏振的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2020,51(07):1804-1812.