風電主軸軸承試驗機懸臂梁靜力學分析與結構優(yōu)化設計

時間：2022-07-21 22:07:33

關鍵字：靜力學分析變形量優(yōu)化設計

手機看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機看文章

[導讀]摘要:集成應用solidworks三維軟件和Ansys有限元分析軟件,建立了風電主軸軸承試驗機懸臂梁的三維模型和靜力學分析模型,通過有限元計算得到了懸臂梁在試驗加載力作用下的變形、應力和應變分布,根據(jù)相應分析結果提出了機構優(yōu)化方案,改善了該懸臂梁的靜態(tài)力學性能,為保證軸承運行的穩(wěn)定性提供了技術手段支持。

引言

在風力發(fā)電機組中,主傳動鏈中的主軸承支撐主軸,并通過軸承座將風輪作用力傳遞給機架。它的性能直接影響整機的抗振性和壽命。大型風力發(fā)電機組的主軸承受力狀況復雜,主軸承的試驗通過主軸承試驗機開展。

為了了解軸承進行極限載荷加載時,試驗機懸臂梁的變形、應力和應變分布情況對軸承運行的影響,有必要通過有限元計算對試驗機懸臂梁進行相應的力學分析,明確其應力、應變狀況。

以試驗機懸臂梁為對象,綜合利用solidworks三維軟件和Ansys分析軟件對其進行靜力學分析,并以此為基礎進行相應的結構優(yōu)化設計,以減少懸臂梁的變形,進而提高試驗加載過程的穩(wěn)定性。

1軸承試驗機懸臂梁的實體建模

以國內某公司的主軸承試驗機為研究對象,試驗機由主機、潤滑系統(tǒng)、液壓比例加載系統(tǒng)、電氣測控系統(tǒng)四部分組成,用于模擬主軸軸承的工況對其進行磨合試驗、性能試驗、耐久性試驗。

為便于被試軸承的安裝和拆卸,主機采用懸臂梁結構。試驗機工作結構圖如圖1所示。

被測軸承和左邊陪試軸承中心線的距離為786mm,被測軸承的寬度為272mm,由于測試軸承所在的套軸與主軸采用周向螺栓連接固定在一起,可將兩者簡化為一實體。本文采用solidworks對懸臂梁進行建模,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,將相應的文件導入到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)點的簡單三維實體結構,每個節(jié)點有3個沿著x、y、Z方向平移的自由度。該單元類型完全可以滿足計算精度的要求。

給定懸臂梁的材質為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)則的實體部分,然后在Ansys中通過布爾運算中的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

主軸軸承試驗機徑向加載能力為1500kN,按此載荷對主軸與被測軸承接觸的上表面進行加載。經過計算,在主軸懸臂梁與被測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果,如圖所示,其最大變形位于主軸與被測軸承接觸部分的左側,最大變形值為R4.8um。圖6是應力分布圖,最大應力為0.386×108pg,即38.6Mpg,而40Cr的抗拉強度為1080Mpg,屈服強度為850Mpg,其應力值遠遠小于材料的內應力值,所以不存在結構的破壞性問題。

4懸臂梁優(yōu)化設計

由上述分析可知,在滿足使用要求的情況下,有必要對懸臂梁進行相應的結構優(yōu)化設計,在接口條件不變的情況下,優(yōu)化措施如下:(1)對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)對懸臂梁固定端接觸陪試軸承這一側的圓環(huán),外徑不變,內徑減小,使圓環(huán)加厚。優(yōu)化后的結構如圖7所示。