风力发电机变桨轴承强度分析及影响因素

以某MW级风电机组双排四点接触球转盘轴承为例,采用ANSYS有限元分析软件建立叶片-轴承-轮毂的整体有限元模型,将钢球与沟道的非线性接触等效为弹簧单元,进行轴承结构强度和接触强度校核计算,该分析方法可减少大规模的接触计算,提高变桨轴承计算效率。对轴承宽度、加强盘厚度、轴承外径、沟道位置、预紧力等影响参数进行了研究,结果表明：增大轴承宽度、外径以及适当增加预紧力,有利于提高变桨轴承的静承载性能及疲劳性能;适当增大加强盘厚度,可有效提高变桨轴承沟道边缘的承载能力;沟道位置下移,可有效改善变桨轴承套圈的疲劳强度。     

MW级风机变桨轴承与轮毂连接螺栓的强度分析

针对某MW级风电机组变桨轴承与轮毂连接螺栓强度设计问题,利用ANSYS软件建立了该变桨轴承与轮毂连接螺栓仿真模型,通过对变桨轴承的受力分析和变桨轴承、螺栓有限元模拟方法的研究,基于GL规范分别利用有限元方法和理论分析方法对该连接螺栓进行了强度分析和接触面滑移分析。研究结果表明,螺栓的极限强度和疲劳强度满足设计要求,极限计算中有限元分析结果和理论分析结果基本一致,接触面之间不会发生使螺栓承受剪切力的滑移。该研究结果为风机变桨轴承和轮毂连接螺栓设计提供了参考。     

变桨轴承套圈堵塞孔位置确定方法

变桨轴承套圈堵塞孔即滚珠装配工艺孔,位于轴承套圈的软带区域,该区域硬度较低,抗碾压能力较弱是轴承套圈的薄弱环节,因此堵塞孔的位置选择是否合适决定了变桨轴承的强度与寿命。针对MW级风电机组变桨轴承套圈堵塞孔位置的确定问题,对其轴承的结构、几何和受载特性进行了分析,建立了轴承内圈载荷分布的静力学模型,基于载荷分布计算结果提出了堵塞孔位置的快速确定方法;并且采用有限元方法分析了变桨系统中轴承的接触载荷分布,验证了堵塞孔位置快速确定方法的准确性。     

风电机组载荷优化对变桨轴承力学行为影响研究

以往的研究主要关注的是变桨轴承本身的力学性能与设计改进，在载荷变化对变桨轴承力学行为影响规律方面还缺乏系统性研究，以致难以定量预测载荷优化对变桨轴承可靠性提升产生的影响，不利于变桨控制策略的准确制定。为此，引入了在线测试与仿真分析技术，研究了载荷优化对变桨轴承力学行为的影响。首先，采用基于应变载荷测试与位移传感器的在线测试方法，测试了风电机组在不同功率水平下载荷优化前后的叶根载荷，以及相应的变桨轴承内外套圈径向与轴向相对位移；然后，提出了一种有限元分析方法，建立了考虑变桨轴承及其周边支撑结构柔性的变桨系统有限元模型；最后，将实测载荷作为输入进行了仿真计算，分析了载荷优化对变桨轴承变形、滚动体与滚道间最大接触应力及最小边缘接触余量角的影响。研究结果表明：载荷优化降载3.46%～5.08%后，相同功率水平下变桨轴承变形减小，最大接触应力减小1.10%以上，最小边缘接触余量角增大0.47°以上，变桨轴承可靠性得以提升。该研究结果可为载荷优化控制策略的准确制定提供指导。     

MW级风电机组轮毂与变桨挡块强度分析

针对MW级风力发电机组轮毂强度安全问题,使用有限元分析软件ANSYS和疲劳分析软件FE-safe,在考虑变桨轴承非线性影响情况下,采用风轮总体模型与轮毂子模型相结合以及临界平面法与最大主应力算法相结合的计算方法,对某大型风力发电机组轮毂的极限强度与疲劳强度进行了评估;为使叶片变桨时准确停留在顺桨位置,在轮毂装配系统中设计了变桨缓冲装置,并对装置组成件变桨挡块和挡块凸台在顺桨工况下的极限强度进行了分析。研究结果表明:轮毂的极限和疲劳强度以及变桨挡块和挡块凸台的极限强度均能满足设计要求,为风电机组轮毂和变桨缓冲装置的设计提供了参考依据。     

考虑支撑结构及螺栓连接的变桨轴承强度分析

针对MW级风电机组变桨轴承静强度与疲劳强度分析的问题,建立了考虑轴承支撑结构刚度及螺栓连接的"叶片-轴承-轮毂"整体等效有限元模型。变桨轴承等效模型中滚球与滚道接触采用非线性弹簧等效,弹簧刚度利用Herz理论进行计算,并将弹簧节点与滚道曲面采用刚性联接,模拟滚球与滚道的接触边界条件;轴承与叶片、轮毂的螺栓连接采用梁单元进行等效,两端分别与被联接零件刚性联接,模拟轮毂-轴承-叶片螺栓联接接触边界条件;模型中弹簧载荷即为滚球载荷,基于Herz接触理论将得到的滚球载荷转化为接触应力,并可以分析滚球接触角变化与套圈变形及应力。采用此模型并结合ISO标准可以在考虑支撑结构及螺栓连接的基础上有效地分析变桨轴承静强度及疲劳强度,并且减少大规模接触计算,提高了计算效率。     

变桨轴承套圈应力和疲劳强度的数值分析

针对风力发电机变桨轴承在使用过程中出现套圈断裂的问题,以某3 MW风力发电机用变桨轴承为例,基于有限元对套圈在极限工况下的套圈应力以及疲劳强度进行分析,得到内、外圈易产生断裂的位置处于与来风方向的夹角分别为137.0°~152.6°和151.4°~155.5°区域。提出了在轴承内圈轮毂侧以及外圈叶片侧分别增加凸缘结构的改进措施,改进设计后变桨轴承最大等效应力明显降低,最小疲劳安全系数增大,轴承整体强度明显增大。     

大型变桨轴承载荷分布的有限元分析

在实际工程应用中,大型风电变桨轴承的结构多为双排四点接触球轴承,其受力巨大,工况恶劣,掌握其载荷分布规律对于提高变桨轴承的性能和可靠性有重要意义。利用ANSYS Workbench软件,对变桨轴承进行了三维建模,对其进行了静态接触力学分析,研究了变桨轴承的载荷分布规律,以及螺栓预紧力、模拟工况条件对变桨轴承载荷分布的影响。结果表明,变桨轴承中钢球与沟道间的最大接触载荷随螺栓预紧力的增大先减小后增大,工况条件下,变桨轴承会发生扭转变形,对载荷分布有较明显的影响。     

风电机组轮毂螺栓连接建模与接触强度分析

高强度螺栓是大型风电机组中重要的连接件。针对其接触强度分析,以某MW级风电机组中轮毂法兰与变桨轴承及主轴法兰螺栓连接为研究对象,基于VDI2230螺栓连接设计准则,首先建立了螺栓螺旋副接触刚度数学模型,提出采用等效梁模拟螺栓连接,并对轮毂螺栓连接进行有限元建模。在预紧力作用和极限工况下,分别对轮毂螺栓连接的接触强度进行了计算。结果表明,等效梁可准确模拟螺旋副接触力的传递;且在极限工况下,轮毂螺栓连接不会发生屈服破坏。提出的螺栓连接模型为螺栓接触强度分析提供了一种较为高效、准确的建模方法。     

风电转盘轴承载荷谱的设计应用

建立了偏航、变桨轴承的空间力系及载荷方程,介绍了风电转盘轴承在各种设计要求下的静强度载荷谱和滚动接触疲劳载荷谱,并以此为基础对某型号风电转盘轴承进行了校核。