雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸靜強(qiáng)度及疲勞校核分析

吳 冰，王建良

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001；2.中國(guó)中車株洲電機(jī)有限公司，株洲 412001)

0 引 言

轉(zhuǎn)軸材料疲勞性能試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析已在參考文獻(xiàn)[3]中有詳細(xì)介紹，本文是在轉(zhuǎn)軸靜強(qiáng)度及疲勞校核之前的建模的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸靜強(qiáng)度及疲勞進(jìn)行校核分析。

1 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度校核評(píng)判

基于合理的極限載荷工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，可用FKM(德國(guó)機(jī)械工程研究委員會(huì))規(guī)范或其他強(qiáng)度評(píng)判準(zhǔn)則進(jìn)行轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度校核和評(píng)判，給出結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。如果應(yīng)力結(jié)果低于屈服強(qiáng)度75%以下，一般可認(rèn)定為靜強(qiáng)度可靠，不會(huì)發(fā)生失效破壞。

轉(zhuǎn)軸材料為34CrNiMo6，其材料性能如表1所示。由表1可知，轉(zhuǎn)軸的屈服強(qiáng)度大于600 MPa。在低電壓穿越時(shí)，轉(zhuǎn)軸的最大應(yīng)力為213.56 MPa，低于轉(zhuǎn)軸屈服強(qiáng)度75%以下，可認(rèn)為轉(zhuǎn)軸不會(huì)發(fā)生失效破壞。

表1 轉(zhuǎn)軸的材料性能

2 疲勞校核分析

疲勞分析中，一般根據(jù)構(gòu)件表面的熱處理、粗糙度、溫度以及結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)等影響因素，對(duì)材料原有的S-N曲線進(jìn)行修正。同時(shí)計(jì)算不同工況下的應(yīng)力幅數(shù)值，采用雨流計(jì)數(shù)法將應(yīng)力幅數(shù)值、平均應(yīng)力大小以及應(yīng)力幅的循環(huán)次數(shù)存儲(chǔ)到矩陣中，再采用線性損傷Miner準(zhǔn)則進(jìn)行損傷累積，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的疲勞結(jié)果。

在本項(xiàng)目中的轉(zhuǎn)軸疲勞校核中，已通過(guò)轉(zhuǎn)軸材料疲勞性能試驗(yàn)，得到轉(zhuǎn)軸材料的S-N曲線，如見(jiàn)圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)軸材料34CrNiMo6的S-N曲線

轉(zhuǎn)軸的疲勞強(qiáng)度為403 MPa左右，同時(shí)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力幅值較低(最大106.87 MPa)，低于疲勞強(qiáng)度數(shù)值，因而整個(gè)轉(zhuǎn)軸的疲勞壽命將是無(wú)限壽命。

轉(zhuǎn)軸的疲勞校核通過(guò)Fatigue tool模塊進(jìn)行計(jì)算。如圖2所示，疲勞強(qiáng)度因子取0.8，循環(huán)特征R取0，平均應(yīng)力修正理論取Goodman，循環(huán)次數(shù)為107。

圖2 轉(zhuǎn)軸疲勞校核參數(shù)選取

轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)無(wú)限壽命為107，則得到的疲勞安全系數(shù)(Saftey factor)如圖3所示?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)軸最小疲勞安全系數(shù)為2.56，大于中國(guó)船級(jí)社《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組規(guī)范》(2008)中規(guī)定的1.1，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 轉(zhuǎn)軸疲勞安全系數(shù)云圖

3 工藝結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)軸應(yīng)力的影響分析

研究不同的工藝結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)軸應(yīng)力的影響，主要從過(guò)渡圓角或退刀槽的尺寸形狀進(jìn)行比較分析。

對(duì)轉(zhuǎn)軸第2臺(tái)階過(guò)渡處的倒角進(jìn)行變動(dòng)，分別采用不同半徑的圓角或退刀槽進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 不同倒角或退刀槽對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布

從圖4可以看出，當(dāng)過(guò)渡圓角半徑由原來(lái)的R=0.5 mm增大到R=1.5 mm后，應(yīng)力減小了約27 MPa。當(dāng)改為圖4(b)中A型退刀槽后，雖然軸頸有所減小(單邊減小了0.4 mm)，但由于圓角過(guò)渡實(shí)際為R=2.5 mm，所以應(yīng)力比R=1.5 mm的圓角還要小。圖4(c)中A型退刀槽實(shí)際的圓角半徑為R=1 mm，應(yīng)力比R=1.5 mm時(shí)要大。

通過(guò)以上3種倒角分析可以得出，轉(zhuǎn)軸在相鄰兩個(gè)軸段的臺(tái)階過(guò)渡處的應(yīng)力大小，主要取決于形狀系數(shù)R/t值的大小，其中R為過(guò)渡圓角半徑，t為相鄰兩軸段單邊高度差。因此，轉(zhuǎn)軸在階梯過(guò)渡處應(yīng)盡量增大過(guò)渡圓角，而軸頸稍微縮小對(duì)轉(zhuǎn)軸應(yīng)力無(wú)明顯影響。原始設(shè)計(jì)的過(guò)渡圓角半徑為R=0.5 mm，軸徑尺寸從φ173 mm跨越到φ180 mm，單邊高度差為t=3.5 mm，形狀系數(shù)R/t=0.5/3.5=0.143，其數(shù)值很小，導(dǎo)致應(yīng)力較為集中。若如圖4(a)中R=1.5 mm，則形狀系數(shù)R/t=1.5/3.5=0.429，應(yīng)力明顯減小。此處過(guò)渡圓角采用R=1.5 mm或圖4(b)中的A型退刀槽較為合理。對(duì)于采用直接圓角R過(guò)渡還是相同圓角R的A型退刀槽，考慮到直接圓角R過(guò)渡更容易引起與之配合的部件在過(guò)渡處干涉(部件需要倒角)以及加工工藝，A型退刀槽應(yīng)是更合理的選擇。

4 材料對(duì)轉(zhuǎn)軸疲勞強(qiáng)度的影響分析

由前面的分析可以看出，發(fā)電機(jī)在低電壓穿越時(shí)(2倍額定轉(zhuǎn)矩)，轉(zhuǎn)軸最大應(yīng)力為213.56 MPa，遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)軸材料34CrNiMo6的屈服強(qiáng)度600 MPa。常用的轉(zhuǎn)軸材料如35CrMo或42CrMo，其屈服強(qiáng)度分別為≥450 MPa或≥500 MPa[1]，也大于轉(zhuǎn)軸的最大應(yīng)力。因此，轉(zhuǎn)軸材料選用35CrMo或42CrMo均可以滿足發(fā)電機(jī)低電壓穿越的要求。至于轉(zhuǎn)軸的疲勞安全系數(shù)，在Workbench默認(rèn)的材料結(jié)構(gòu)鋼的S-N曲線的基礎(chǔ)上，結(jié)合35CrMo或42CrMo與結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度的比值，可近似推出35CrMo或42CrMo的S-N曲線(如圖5和圖6所示)，并以此得到其安全系數(shù)，如圖7所示。

圖5 35CrMo的S-N曲線

圖6 42CrMo的S-N曲線

圖7 轉(zhuǎn)軸材料分別為35CrMo及42CrMo時(shí)的安全系數(shù)云圖

由圖7可以看出，采用35CrMo或42CrMo材料的轉(zhuǎn)軸最小疲勞安全系數(shù)分別為1.97及2.18，均大于1.1，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，35CrMo和42CrMo也可作為轉(zhuǎn)軸材料的一種選擇，其中42CrMo要比35CrMo的強(qiáng)度稍大，但35CrMo比42CrMo焊接性能要好，更適合于焊筋軸。

5 結(jié) 語(yǔ)

從以上有限元分析結(jié)果來(lái)看，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低電壓穿越情況下，其轉(zhuǎn)軸的機(jī)械性能滿足發(fā)電機(jī)運(yùn)行的要求，包括其對(duì)不同類型的倒角對(duì)轉(zhuǎn)軸性能的影響分析，均與傳統(tǒng)的對(duì)轉(zhuǎn)軸的理論計(jì)算結(jié)果相符，因此關(guān)于轉(zhuǎn)軸的理論分析也是正確合理的。

通過(guò)上述靜應(yīng)力分析，我們明確電機(jī)轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力水平和分布狀況，找出潛在的危險(xiǎn)部位，分析轉(zhuǎn)軸的疲勞強(qiáng)度；通過(guò)靜強(qiáng)度校核，明確電機(jī)轉(zhuǎn)軸在不同載荷工況下的設(shè)計(jì)裕量和安全系數(shù)，驗(yàn)證轉(zhuǎn)軸是否滿足發(fā)電機(jī)低電壓穿越的要求；通過(guò)疲勞強(qiáng)度校核，給出轉(zhuǎn)軸的疲勞安全系數(shù)；對(duì)轉(zhuǎn)軸的不同結(jié)構(gòu)工藝進(jìn)行比較分析，找出最優(yōu)的工藝結(jié)構(gòu)；比較分析不同材料對(duì)轉(zhuǎn)軸疲勞強(qiáng)度的影響，找出性價(jià)比最優(yōu)的轉(zhuǎn)軸材料。同時(shí)，本文建立合理的電機(jī)轉(zhuǎn)軸靜應(yīng)力仿真分析流程和疲勞校核仿真分析方法，為電機(jī)的科學(xué)合理設(shè)計(jì)提供了參考。