風(fēng)電主軸軸承試驗(yàn)機(jī)懸臂梁靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,主傳動(dòng)鏈中的主軸承支撐主軸,并通過軸承座將風(fēng)輪作用力傳遞給機(jī)架。它的性能直接影響整機(jī)的抗振性和壽命。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主軸承受力狀況復(fù)雜,主軸承的試驗(yàn)通過主軸承試驗(yàn)機(jī)開展。

為了了解軸承進(jìn)行極限載荷加載時(shí),試驗(yàn)機(jī)懸臂梁的變形、應(yīng)力和應(yīng)變分布情況對(duì)軸承運(yùn)行的影響,有必要通過有限元計(jì)算對(duì)試驗(yàn)機(jī)懸臂梁進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析,明確其應(yīng)力、應(yīng)變狀況。

以試驗(yàn)機(jī)懸臂梁為對(duì)象,綜合利用solidworks三維軟件和Ansys分析軟件對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),以減少懸臂梁的變形,進(jìn)而提高試驗(yàn)加載過程的穩(wěn)定性。

1軸承試驗(yàn)機(jī)懸臂梁的實(shí)體建模

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

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

被測(cè)軸承和左邊陪試軸承中心線的距離為786mm,被測(cè)軸承的寬度為272mm,由于測(cè)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(jiǎn)化為一實(shí)體。本文采用solidworks對(duì)懸臂梁進(jìn)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(yùn)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(yīng)的文件導(dǎo)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(diǎn)的簡(jiǎn)單三維實(shí)體結(jié)構(gòu),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)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(jì)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(shí)體部分,然后在Ansys中通過布爾運(yùn)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(yàn)機(jī)徑向加載能力為1500kN,按此載荷對(duì)主軸與被測(cè)軸承接觸的上表面進(jìn)行加載。經(jīng)過計(jì)算,在主軸懸臂梁與被測(cè)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(cè)軸承接觸部分的左側(cè),最大變形值為R4.8um。圖6是應(yīng)力分布圖,最大應(yīng)力為0.386×108pg,即38.6Mpg,而40Cr的抗拉強(qiáng)度為1080Mpg,屈服強(qiáng)度為850Mpg,其應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的內(nèi)應(yīng)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(shè)計(jì)

由上述分析可知,在滿足使用要求的情況下,有必要對(duì)懸臂梁進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),在接口條件不變的情況下,優(yōu)化措施如下:(1)對(duì)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(duì)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(dǎo)入到Ansys中進(jìn)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(yīng)力最大為0.525×108Pa,即52.5MPa。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)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(cè)試軸承接觸處的最大變形由94.8um減小至90.8um,提高了測(cè)試軸承在加載情況下運(yùn)行的穩(wěn)定性:(2)最大應(yīng)力有所增加,但遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)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(hào)主軸承試驗(yàn)機(jī)為對(duì)象,對(duì)試驗(yàn)機(jī)懸臂梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化前后相關(guān)性能參數(shù)的對(duì)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(shí)其最大變形量也減小,提高了測(cè)試軸承運(yùn)行的穩(wěn)定性。